Elektronik cihazlar, elektronların yükünün onların hareket etmesine ve akım üretmesine yardımcı olduğu temel özelliğiyle çalışır. Şimdi elektronların enerji açısından daha verimli davranmasına yardımcı olabilecek başka bir özelliği (bu kuantum aleminde) hayal edin. Spintronics, elektronun içsel açısal momentumuna bağlı temel bir özellik olan spininden yararlanır.
“İnsanlar uzun bir süredir bilgi biti olarak spinlerden bahsetmek istiyor, çünkü bir spinin kuantum-mekanik özelliği, açılması veya sürdürülmesi elektrik akımı kadar enerjiye mal olmuyor. Ancak göründüğünden daha zor” dedi Rowland Enstitüsü araştırma grubu lideri Sascha Feldmann. “Genellikle bir dönüşün sahip olduğu küçük manyetik momentle konuşmak için güçlü manyetik alanlar uygulamanız gerekir.”
Bir elektronun yukarı veya aşağı olmak üzere iki dönüş durumu olabilir ve bunlar bilgiyi depolamak ve işlemek için kullanılabilir. Ancak bunları manipüle etmek zor olabilir; çalışması için son derece düşük sıcaklıklarda, mükemmel şekilde düzenlenmiş malzemeler üzerinde manyetik alanların kullanılmasını gerektirir. Feldmann ve araştırma ekibi, hem burada hem de Cambridge Üniversitesi'nde, bu faktörlerin hiçbirinin mevcut olmadığı elektron spin alanları oluşturmayı başardılar. Yapılması çok kolay ancak son derece düzensiz bir yarı iletken malzeme olan halojenür perovskit filmlerin üzerine oda sıcaklığında dairesel polarize ışık tuttular. Bakın, birkaç pikosaniye (saniyenin trilyonda biri) içinde, elektronlar farklı spin durumları geliştirdiler ve yerel spin alanları oluşturdular. Sonuçlar Nature Materials'da bir makalede yayınlandı.
Makalenin ilgili yazarı Feldmann, “Işıkla artık optik olarak dönüşleri ele alabiliyoruz, şimdiye kadar sadece manyetik ölçümlerin nasıl kullanıldığını öğrenebildik” dedi. “Işığımızın sadece polarizasyonuyla, elektronların dönüşleriyle müdahalesiz bir şekilde konuşabiliyoruz.”
Bunu incelemek için araştırmacılar, ışığın spiral şeklindeki el kullanımında kodlanan bilgilere dayanan özel bir mikroskopi tekniği geliştirdiler. Yukarı veya aşağı dönüş durumunu oluşturmak için sol veya sağ dairesel polarize ışık kullanıldı ve bu bilgiyi kullanarak malzemenin dönüşlerini ayrıntılı olarak görebildiler.
Her alanda bu ölçekte, dönüşler beklenenden çok daha uzun süre hayatta kaldı. Mikroskopi kullandıkları için spin aktarımını da görebildiler. Feldmann, “Yüklerin bir telde nasıl aktığı gibi, dönüşlerin de nasıl hareket ettiğini görebiliriz” dedi.
Araştırmacılar spin-momentum kilitlenmesi adı verilen bir olguyu gözlemlediler. Bu, bir elektron için dönme durumunun hareketinin yönünü belirlediği anlamına gelir. Spinlerin hareketini yalnızca gözlemlemekle kalmayıp aynı zamanda manipüle edebilmek, optik olarak manipüle edilebilecek elektron spinlerine sahip malzemelerin akıllı tasarımına yönelik olasılıkları da açar. Bir malzeme optik olarak bile mıknatıslandığında, bu şekilde kalır ve durumunu korumak için harici güce ihtiyaç duymaz. Bu, spintroniğin çok faydalı olmasını sağlar; yaygın kullanım alanı, verilerin bilgisayar depolama sistemlerinde daha istikrarlı ve verimli depolanmasıdır. Döndürmelerin kuantum özelliği, geleneksel bir bilgisayarın tamamlanması binlerce yıl sürecek belirli hesaplama görevlerini kolayca gerçekleştirmenin yeni yollarını açtığından, kuantum hesaplamada da kullanımları vardır.
“Yarı iletken, ışıkla etkileşime giren şeydir ve ferromıknatıs, manyetik olan ve spinlerle çalışan şeydir. Burada her iki dünyanın en iyilerini birleştiren bir şey bulduk. Bu şaşırtıcı çünkü spintronik insanlarını manyetizmayı optik olarak kontrol edebilecekleri bir yere getiriyor ve spinleri kullanarak geleneksel optik yarı iletken cihazlara başka bir özgürlük derecesi katıyor” dedi Feldmann. “Fotonik, elektronik ve spintroniğin potansiyel olarak tek bir malzemede bir araya getirilmesi oldukça heyecan verici.”
Feldmann, son derece çok yönlü halojenür perovskit malzemeleri, sürdürülebilir enerji üretimi için bir araç olarak güneş fotovoltaik veya LED uygulamalarında yarı iletken olarak kullanıyordu. Rowland Üyesi, bu dağınık malzemenin ışıkla etkileşime girdiğinde nasıl bu kadar güzel davrandığına hayret ediyor ve bunu daha fazla incelemek istiyor.
“Malzemenin basitliği, bu filmleri yapmak ve yine de spin aktarım fiziğini görebilmek bizim için kesinlikle harika.”
“Arjun Ashoka, Ph.D. Bu çalışmayı yürüten öğrencimiz, bu zorlu deneyin gerçekleştirilmesinde gerçekten harika bir iş çıkardı,” diye ekledi Feldmann.
“İnsanlar uzun bir süredir bilgi biti olarak spinlerden bahsetmek istiyor, çünkü bir spinin kuantum-mekanik özelliği, açılması veya sürdürülmesi elektrik akımı kadar enerjiye mal olmuyor. Ancak göründüğünden daha zor” dedi Rowland Enstitüsü araştırma grubu lideri Sascha Feldmann. “Genellikle bir dönüşün sahip olduğu küçük manyetik momentle konuşmak için güçlü manyetik alanlar uygulamanız gerekir.”
Bir elektronun yukarı veya aşağı olmak üzere iki dönüş durumu olabilir ve bunlar bilgiyi depolamak ve işlemek için kullanılabilir. Ancak bunları manipüle etmek zor olabilir; çalışması için son derece düşük sıcaklıklarda, mükemmel şekilde düzenlenmiş malzemeler üzerinde manyetik alanların kullanılmasını gerektirir. Feldmann ve araştırma ekibi, hem burada hem de Cambridge Üniversitesi'nde, bu faktörlerin hiçbirinin mevcut olmadığı elektron spin alanları oluşturmayı başardılar. Yapılması çok kolay ancak son derece düzensiz bir yarı iletken malzeme olan halojenür perovskit filmlerin üzerine oda sıcaklığında dairesel polarize ışık tuttular. Bakın, birkaç pikosaniye (saniyenin trilyonda biri) içinde, elektronlar farklı spin durumları geliştirdiler ve yerel spin alanları oluşturdular. Sonuçlar Nature Materials'da bir makalede yayınlandı.
Makalenin ilgili yazarı Feldmann, “Işıkla artık optik olarak dönüşleri ele alabiliyoruz, şimdiye kadar sadece manyetik ölçümlerin nasıl kullanıldığını öğrenebildik” dedi. “Işığımızın sadece polarizasyonuyla, elektronların dönüşleriyle müdahalesiz bir şekilde konuşabiliyoruz.”
Bunu incelemek için araştırmacılar, ışığın spiral şeklindeki el kullanımında kodlanan bilgilere dayanan özel bir mikroskopi tekniği geliştirdiler. Yukarı veya aşağı dönüş durumunu oluşturmak için sol veya sağ dairesel polarize ışık kullanıldı ve bu bilgiyi kullanarak malzemenin dönüşlerini ayrıntılı olarak görebildiler.
Her alanda bu ölçekte, dönüşler beklenenden çok daha uzun süre hayatta kaldı. Mikroskopi kullandıkları için spin aktarımını da görebildiler. Feldmann, “Yüklerin bir telde nasıl aktığı gibi, dönüşlerin de nasıl hareket ettiğini görebiliriz” dedi.
Araştırmacılar spin-momentum kilitlenmesi adı verilen bir olguyu gözlemlediler. Bu, bir elektron için dönme durumunun hareketinin yönünü belirlediği anlamına gelir. Spinlerin hareketini yalnızca gözlemlemekle kalmayıp aynı zamanda manipüle edebilmek, optik olarak manipüle edilebilecek elektron spinlerine sahip malzemelerin akıllı tasarımına yönelik olasılıkları da açar. Bir malzeme optik olarak bile mıknatıslandığında, bu şekilde kalır ve durumunu korumak için harici güce ihtiyaç duymaz. Bu, spintroniğin çok faydalı olmasını sağlar; yaygın kullanım alanı, verilerin bilgisayar depolama sistemlerinde daha istikrarlı ve verimli depolanmasıdır. Döndürmelerin kuantum özelliği, geleneksel bir bilgisayarın tamamlanması binlerce yıl sürecek belirli hesaplama görevlerini kolayca gerçekleştirmenin yeni yollarını açtığından, kuantum hesaplamada da kullanımları vardır.
“Yarı iletken, ışıkla etkileşime giren şeydir ve ferromıknatıs, manyetik olan ve spinlerle çalışan şeydir. Burada her iki dünyanın en iyilerini birleştiren bir şey bulduk. Bu şaşırtıcı çünkü spintronik insanlarını manyetizmayı optik olarak kontrol edebilecekleri bir yere getiriyor ve spinleri kullanarak geleneksel optik yarı iletken cihazlara başka bir özgürlük derecesi katıyor” dedi Feldmann. “Fotonik, elektronik ve spintroniğin potansiyel olarak tek bir malzemede bir araya getirilmesi oldukça heyecan verici.”
Feldmann, son derece çok yönlü halojenür perovskit malzemeleri, sürdürülebilir enerji üretimi için bir araç olarak güneş fotovoltaik veya LED uygulamalarında yarı iletken olarak kullanıyordu. Rowland Üyesi, bu dağınık malzemenin ışıkla etkileşime girdiğinde nasıl bu kadar güzel davrandığına hayret ediyor ve bunu daha fazla incelemek istiyor.
“Malzemenin basitliği, bu filmleri yapmak ve yine de spin aktarım fiziğini görebilmek bizim için kesinlikle harika.”
“Arjun Ashoka, Ph.D. Bu çalışmayı yürüten öğrencimiz, bu zorlu deneyin gerçekleştirilmesinde gerçekten harika bir iş çıkardı,” diye ekledi Feldmann.