Immagine al microscopio dei nanopilastri a forma di camino fabbricati dai ricercatori dell'Università di Linköping e del Royal Institute of Technology, Svezia. Credito:Shula Chen, Creative Commons Attribuzione 4.0 Licenza Internazionale http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
I ricercatori dell'Università di Linköping e del Royal Institute of Technology in Svezia hanno proposto un nuovo concetto di dispositivo in grado di trasferire in modo efficiente le informazioni trasportate dallo spin degli elettroni alla luce a temperatura ambiente, un trampolino di lancio verso la futura tecnologia dell'informazione. Presentano il loro approccio in un articolo in Comunicazioni sulla natura .
La luce e la carica degli elettroni sono i mezzi principali per l'elaborazione e il trasferimento delle informazioni. Nella ricerca di tecnologie informatiche ancora più veloci, più piccolo e più efficiente dal punto di vista energetico, scienziati di tutto il mondo stanno esplorando un'altra proprietà degli elettroni:il loro spin. L'elettronica che sfrutta sia lo spin che la carica dell'elettrone è chiamata "spintronica".
Come la Terra, un elettrone ruota attorno al proprio asse, sia in senso orario che antiorario. La manualità della rotazione è indicata come stati di spin-up e spin-down. Nella spintronica, i due stati rappresentano i bit binari e quindi trasportano informazioni. Le informazioni codificate da questi stati di spin possono essere convertite da un dispositivo emettitore di luce in luce, che poi trasporta le informazioni a lunga distanza attraverso le fibre ottiche. Il trasferimento di informazioni quantistiche apre la possibilità di sfruttare sia lo spin elettronico che la luce, e l'interazione tra di loro, una tecnologia nota come "opto-spintronica".
Il trasferimento di informazioni nell'optospintronica si basa sul principio che lo stato di spin dell'elettrone determina le proprietà della luce emessa. Più specificamente, è luce chirale, in cui il campo elettrico ruota in senso orario o antiorario se visto nel senso di marcia della luce. La rotazione del campo elettrico è determinata dalla direzione di rotazione dell'elettrone. Ma c'è un problema.
"Il problema principale è che gli elettroni perdono facilmente il loro orientamento di spin quando la temperatura aumenta. Un elemento chiave per future applicazioni di spin-light è un efficiente trasferimento di informazioni quantistiche a temperatura ambiente, ma a temperatura ambiente l'orientamento dello spin dell'elettrone è quasi randomizzato. Ciò significa che l'informazione codificata nello spin dell'elettrone è persa o troppo vaga per essere convertita in modo affidabile nella sua luce chirale distinta, " dice Weimin Chen presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia, IFM, all'Università di Linköping.
Illustrazione della conversione tra la direzione di spin dell'elettrone e l'elicità della luce chirale. Qui, la direzione di rotazione dell'elettrone nel nanodisco determina la direzione di rotazione del campo elettrico della luce chirale, in senso orario o antiorario se visto nella direzione di marcia della luce.Illustrazione della conversione tra la direzione di spin dell'elettrone e l'elicità della luce chirale. Qui, la direzione di rotazione dell'elettrone nel nanodisco determina la direzione di rotazione del campo elettrico della luce chirale, in senso orario o antiorario se visto nella direzione di marcia della luce. Credito:Yuqing Huang
Ora, i ricercatori dell'Università di Linköping e del Royal Institute of Technology hanno ideato un'efficiente interfaccia spin-light.
"Questa interfaccia non solo può mantenere e persino migliorare i segnali di spin degli elettroni a temperatura ambiente, ma può anche convertire questi segnali di spin in corrispondenti segnali di luce chirale che viaggiano nella direzione desiderata, "dice Weimin Chen.
L'elemento chiave del dispositivo sono i dischi estremamente piccoli di arseniuro di azoto di gallio, GaNA. I dischi sono alti solo un paio di nanometri e impilati uno sopra l'altro con un sottile strato di arseniuro di gallio (GaAs) in mezzo per formare nanocolonne a forma di camino. Per confronto, il diametro di un capello umano è circa mille volte più grande del diametro dei nanopilastri.
La capacità unica del dispositivo proposto di migliorare i segnali di spin è dovuta ai difetti minimi introdotti nel materiale dai ricercatori. Meno di uno su un milione di atomi di gallio vengono spostati dai loro siti reticolari designati nel materiale. I difetti risultanti nel materiale agiscono come filtri di spin efficienti che possono drenare gli elettroni con un orientamento di spin indesiderato e preservare quelli con l'orientamento di spin desiderato.
"Un vantaggio importante del design nanopillar è che la luce può essere guidata facilmente e accoppiata in modo più efficiente dentro e fuori, "dice Shula Chen, primo autore dell'articolo.
I ricercatori sperano che il loro dispositivo proposto possa ispirare nuovi progetti di interfacce spin-light, che rappresentano una grande promessa per le future applicazioni opto-spintronica.
