Pana acum nu se stia sigur daca miscarea de spin a electronilor poseda capacitatea de a pastra informatiile codate suficient de mult timp inaintea unei rotatii. In cadrul revistei Nature Physics, oamenii de stiinta de la IBM Research si Solid State Physics Laboratory din cadrul ETH Zurich au aratat faptul ca procesul de sincronizare a electronilor extinde durata de rotatie a unui electron de 30 de ori la 1,1 nanosecunde – acelasi timp necesar unui procesor de 1 GHz sa realizeze un ciclu.
Tehnologia de calcul actuala codifica si prelucreaza datele utilizand sarcina electrica a electronilor. Cu toate acestea, aceasta tehnica este limitata pe masura ce dimensiunile semiconductorilor continua sa scada pana in punctul in care fluxul de electroni nu mai poate fi controlat. Spintronica ar putea depasi acest impas prin valorificarea miscarii de spin a electronilor in locul utilizarii sarcinii electrice a acestora.
Aceasta noua perspectiva in spintronica nu numai ca ofera oamenilor de stiinta un control fara precedent asupra fenomenelor magnetice din interiorul dispozitivelor, dar, de asemenea, deschide noi oportunitati pentru crearea unor sisteme electronice mai eficiente din punct de vedere al consumului de energie.
“Valsul” spintronicii
Un aspect anterior necunoscut al fizicii si observat acum de catre oamenii de stiinta este acela ca miscarile de spin ale electronilor se deplaseaza cu cateva zeci de micrometri intr-un semiconductor, avand o orientare ce se roteste in mod sincron de-a lungul traiectoriei, in mod similar unui cuplu care danseaza vals, celebrul dans vienez in care perechile realizeaza miscari de rotatie.
Dr. Gian Salis, cercetator la IBM Research – Zurich in cadrul grupului de cercetare ce abordeaza sistemele nanometrice, explica: „Daca toate cuplurile incep sa danseze fiind pozitionate astfel incat femeile sa fie orientate cu fata inspre nord, dupa un timp, perechile care se rotesc sunt orientate in directii diferite. Acum putem fixa viteza de rotatie a dansatorilor asociind-o directiei in care se deplaseaza. Aceasta duce la o coregrafie perfecta in care toate femeile dintr-o anumita zona sunt orientate in aceeasi directie. Aceasta abilitate de a manipula si observa rotatia electronilor este un pas important in dezvoltarea de tranzistori care se bazeaza pe aceasta miscare de spin si care sunt programabili electric.”
Cum functioneaza
Cercetatorii IBM au folosit impulsuri laser ultra scurte pentru a monitoriza evolutia miilor de rotatii ale electronilor care au fost generate simultan intr-un spatiu de dimensiuni foarte reduse. In mod atipic, intr-un spatiu in care in mod normal aceasta miscare ar avea o evolutie aleatoare si si-ar pierde in mod rapid orientarea, pentru prima data oamenii de stiinta au putut observa modul in care aceste rotatii de spin se dispun intr-un model specific, asa-numita elicoida de spin.
Conceptul de blocare a rotatiei de spin a fost propus initial in mod teoretic inca din 2003 si de atunci unele experimente au evidentiat indicii ale acestui tip de blocare, dar pana acum nu a fost niciodata observata in mod direct.
Oamenii de stiinta IBM au reusit sa puna in evidenta „valsul” sincron al miscarii de spin a electronilor prin utilizarea unor metode microscopice specifice de scanare. Sincronizarea rotatiei electronilor a facut posibila observarea faptului ca aceste miscari de spin se deplaseaza cu peste 10 micrometri sau o sutime de milimetru, crescand posibilitatea de a utiliza miscarea de spin pentru procesarea operatiunilor logice, in mod rapid si eficient din punct de vedere al consumului de energie.
Cauza miscarii sincrone de spin o reprezinta interactiunea spin-orbita, un mecanism fizic ce asociaza spinul cu miscarea electronului. Materialul semiconductor numit arseniura de galiu (GaAs) a fost realizat de catre oamenii de stiinta de la ETH Zurich, recunoscuti ca fiind experti mondiali in construirea de structuri semiconductoare realizate cu o precizie atomica. GaAs este un semiconductor din grupa III/V, utilizat in mod obisnuit in fabricarea de dispozitive cum ar fi circuite integrate, diode emitatoare de lumina cu infrarosu si celule solare foarte eficiente.
Utilizarea noilor informatii obtinute in laborator in vederea implementarii lor pe piata ramane insa o provocare majora. Cercetarea in domeniul spintronicii are loc la temperaturi foarte scazute la care miscarile de spin ale electronilor interactioneaza foarte putin cu mediul. In cadrul acestui proiect, cercetatorii IBM au facut experimente la 40 grade Kelvin (-233 C, -387 F).
Aceste experimente au fost sustinute financiar de catre Fundatia Elvetiana pentru Stiinta (Swiss National Science Foundation) prin Centrul National de Competenta in Cercetare (NCCR) „Nanoscale Sciences” si NCCR “Quantum Science and Technology”.
Lucrarea stiintifica intitulata „Evidentierea directa a formarii unei miscari elicoidale permanente de spin” de catre M.P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider si G. Salis a fost publicata online in Nature Physics, DOI 10.1038/NPHYS2383 (12 august 2012).
