Per la prima volta, i fisici hanno dimostrato che le informazioni possono fluire attraverso un filo diamantato. Nell'esperimento, gli elettroni non scorrevano attraverso il diamante come nell'elettronica tradizionale; piuttosto, rimasero al loro posto e si trasmisero un effetto magnetico chiamato "spin" l'uno all'altro lungo il filo, come una fila di spettatori sportivi che fanno "l'onda".

Lo spin potrebbe un giorno essere usato per trasmettere dati nei circuiti dei computer, e questo nuovo esperimento, fatto alla Ohio State University, ha rivelato che il diamante trasmette lo spin meglio della maggior parte dei metalli in cui i ricercatori hanno precedentemente osservato l'effetto.

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare la cosiddetta "spintronica, " che potrebbe rendere i computer contemporaneamente più veloci e più potenti.

Diamond ha molto da offrire quando si tratta di spintronica, ha detto il capo investigatore Chris Hammel, Eminente studioso di fisica sperimentale presso l'Ohio State. È difficile, trasparente, isolante elettricamente, impermeabile alla contaminazione ambientale, resistente agli acidi, e non trattiene il calore come fanno i semiconduttori.

"Fondamentalmente, è inerte. Non puoi farci niente. A uno scienziato, i diamanti sono un po' noiosi, a meno che tu non ti stia fidanzando, "Ha detto Hammel. "Ma è interessante pensare a come funzionerebbe il diamante in un computer."

Il cartellino del prezzo per il filo diamantato non ha raggiunto le proporzioni dell'anello di fidanzamento, Hammel ha confermato. È costato solo $ 100, poiché era di materiale sintetico, piuttosto che naturale, diamante.

I risultati qui rappresentano il primo piccolissimo passo lungo una strada molto lunga che un giorno potrebbe portare ai transistor diamantati.

Ma oltre a ciò, questa scoperta potrebbe cambiare il modo in cui i ricercatori studiano lo spin, disse Hammel.

La scoperta appare nel numero del 23 marzo della rivista Nanotecnologia della natura .

Gli elettroni raggiungono diversi stati di rotazione a seconda della direzione in cui stanno ruotando, verso l'alto o verso il basso. Il team di Hammel ha posizionato un minuscolo filo diamantato in un microscopio a forza di risonanza magnetica e ha rilevato che gli stati di spin all'interno del filo variavano secondo uno schema.

"Se questo cavo fosse parte di un computer, trasferirebbe informazioni. Non c'è dubbio che saresti in grado di dire all'estremità del filo quale fosse lo stato di spin della particella originale all'inizio, " Egli ha detto.

Normalmente, il diamante non poteva assolutamente portare la rotazione, perché i suoi atomi di carbonio sono bloccati insieme, con ogni elettrone saldamente attaccato a un elettrone vicino. I ricercatori hanno dovuto seminare il filo con atomi di azoto in modo che ci fossero elettroni spaiati che potessero ruotare. Il filo conteneva solo un atomo di azoto ogni tre milioni di atomi di diamante, ma questo era sufficiente per consentire al filo di girare.

L'esperimento ha funzionato perché i fisici dello stato dell'Ohio sono stati in grado di osservare lo spin degli elettroni su una scala più piccola che mai. Hanno focalizzato il campo magnetico nel loro microscopio su singole porzioni del filo, e scoprirono che potevano rilevare quando la rotazione passava attraverso quelle parti.

Il filo misurava solo quattro micrometri di lunghezza e 200 nanometri di larghezza. Per vedere al suo interno, impostano la bobina magnetica del microscopio in modo che si accenda e si spenga in piccole frazioni di secondo, generando impulsi che hanno creato istantanee larghe 15 nanometri (circa 50 atomi) del comportamento degli elettroni. Sapevano che la rotazione scorreva attraverso il diamante quando un magnete su un delicato cantilever muoveva piccole quantità mentre veniva alternativamente attratto o respinto dagli atomi nel filo, a seconda dei loro stati di spin.

Ancora più sorprendente è stato che gli stati di rotazione sono durati il ​​doppio del tempo vicino all'estremità del filo rispetto al centro. Sulla base di esperimenti ordinari, i fisici si aspetterebbero che gli stati di spin durino per lo stesso periodo di tempo, indipendentemente da dove è stata effettuata la misurazione. In questo caso, gli stati di rotazione all'interno del filo sono durati circa 15 millisecondi, e verso la fine sono durati 30 millisecondi.

Il team di Hammel sospetta di essere stato in grado di assistere a questo nuovo effetto in parte a causa di quanto da vicino sono stati in grado di ingrandire il filo. Mentre focalizzavano la loro minuscola finestra di osservazione sulla punta del filo, hanno visto la rotazione scorrere nell'unica direzione in cui poteva fluire:nel filo. Quando fecero una panoramica lungo il filo per osservare il centro, la "finestra" si svuotò di spin due volte più veloce, perché gli stati di spin potrebbero fluire in entrambe le direzioni, dentro e fuori dal filo.

"È un effetto drammaticamente enorme che non ci aspettavamo, " disse Hammel.

La scoperta sfida il modo in cui i ricercatori hanno studiato lo spin negli ultimi 70 anni, Ha spiegato Hammel.

"Il fatto che gli spin possano muoversi in questo modo significa che il modo convenzionale in cui il mondo misura la dinamica degli spin a livello macroscopico deve essere riconsiderato:in realtà non è valido, " Ha aggiunto.

Gli esperimenti convenzionali non hanno la risoluzione fine per guardare all'interno di oggetti piccoli come il filo utilizzato in questo studio, e quindi può solo guardare tali oggetti nel loro insieme. In tali circostanze, i ricercatori possono solo rilevare lo stato di spin medio:quanti elettroni nel campione sono rivolti verso l'alto, e quanti puntano verso il basso. I ricercatori non conoscerebbero la differenza se alcuni elettroni in una parte del campione si capovolgessero dal basso verso l'alto, e un'altra parte girava dall'alto verso il basso, perché il numero medio di giri rimarrebbe lo stesso.

"Non è la media che vogliamo, "Ha detto Hammel. "Vogliamo sapere quanto variano le rotazioni, e qual è la durata di un particolare stato di spin."

È la differenza tra sapere che una media di un quarto di tutti gli spettatori in uno stadio sta in piedi in qualsiasi momento, e sapere che le singole persone sono in piedi e sedute secondo uno schema programmato per formare "l'onda".

Nessuno poteva vedere i giri in diamante prima, ma questo esperimento ha dimostrato che il diamante può trasportare la rotazione in modo organizzato, preservare lo stato di rotazione e, così, preservare le informazioni.

I fisici hanno dovuto raffreddare il filo a 4,2 Kelvin (circa -452 gradi Fahrenheit o -269 gradi Celsius) per rallentare le rotazioni e calmare il loro rivelatore sensibile abbastanza da rendere rilevabili queste poche rotazioni. Sarebbero necessari molti progressi prima di poter sfruttare l'effetto a temperatura ambiente.