Styrning av elektronens spinn kan förbättra elektroniska komponenter

24 januari 2020

I takt med att den elektroniska tekniken förbättras krävs allt mindre komponenter – så små att man stöter på kvantfysiska utmaningar. Ett spår forskare undersöker är att manipulera elektronens spinn. I en ny artikel i den vetenskapliga tidskriften Science Advances beskriver forskare från bland annat Uppsala och Örebro universitet hur experiment visat att spinntillstånd kan förflytas mellan atomer mycket snabbare än förväntat.

Figuren visar hur laserljuset skapar en optisk
övergång mellan olika vågfunktioner som har drastisk
skillnad i spinntillstånd.

Moores lag förutsäger att antalet transistorer på ett chip dubbleras varje decennium. Men denna förbättring av elektronikbaserade tekniker kan inte pågå i all oändlighet.

När komponenterna blir mycket små, typiskt när dom når nanometer-skala, blir kvantmekaniska effekter viktiga. Detta utgör en begränsning av nuvarande teknologi för databehandling och högpresterande beräkningar.

Forskningsfälten spintronik och magnonik har som ambition att ersätta och komplettera konventionell elektronik. Manipulation av elektronens spinn (i stället för laddning) samt styrning av magnetiska excitationer, så kallade kallade magnoner, har stora möjligheter att erbjuda förbättringar. 

Spinntillstånd kan förflyttas snabbare än förväntat

För att skapa de tekniska verktygen som krävs behöver man först och främst identifiera de mest lovande materialen, samt förstå hur snabbt man kan manipulera olika spinntillstånd. I en artikel av forskare från National Institute of Standards and Technology i Boulder, USA, Uppsala universitet och Örebro universitet visas att spinntillstånd kan förflyttas mellan atomer mycket snabbare än förväntat.

Materialet som studerades var en så kallad Heusler-legering med komposition Co2MnGe. Materialet belystes med en ultrasnabb laserpuls, och forskarna kunde detektera hur spinn transfererades mellan Co och Mn-atomer med en hastighet som tidigare inte kunnat uppmätas. De teoretiska grupperna vid universiteten i Uppsala och Örebro bidrog till studien med kvantmekaniska beräkningar och konceptuella begrepp som förklarar de uppmätta resultaten. Enligt teorin sker med laserljuset en optisk övergång mellan olika vågfunktioner som har drastisk skillnad i spinntillstånd, något som förklarar experimenten.

Publikation

Direct light-induced spin transfer between elemental sublattices in a spintronic Heusler material via femtosecond laser excitation, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aaz1100