کنترل اسپین الکترون با میدان الکتریکی

دانشمندان روشی نوین برای کنترل الکتریکی اسپین در دستگاه‌های فوق‌فشرده با استفاده از مواد کوانتومی آلترمغناطیسی معرفی کردند.

به گزارش نشریه Materials Horizons، گروهی از پژوهشگران به رهبری دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور (SUTD) موفق به ارائه روشی نوآورانه برای کنترل اسپین الکترون با استفاده صرف از میدان الکتریکی شدند؛ روشی که می‌تواند راه را برای توسعه نسل آینده دستگاه‌های اسپینترونیکی فوق‌فشرده و کم‌مصرف هموار کند.

اسپینترونیک چیست؟

اسپینترونیک (Spintronics) شاخه‌ای نوظهور از فناوری است که به جای استفاده از بار الکترون‌ها، از خاصیت اسپین آنها برای پردازش و ذخیره اطلاعات بهره می‌گیرد. این فناوری می‌تواند منجر به ساخت رایانه‌ها و حافظه‌هایی سریع‌تر و با بهره‌وری انرژی بیشتر شود. اما چالش اصلی در این حوزه، نیاز به میدان‌های مغناطیسی برای کنترل اسپین است؛ عاملی که یکپارچه‌سازی قطعات را در مقیاس بسیار کوچک دشوار می‌کند و ممکن است موجب تداخل ناخواسته میان اجزای دستگاه شود.

در این پژوهش، تیم تحقیقاتی SUTD با همکاری دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ، مؤسسه فناوری پکن، دانشگاه ژجیانگ و آژانس علوم، فناوری و تحقیقات سنگاپور (A*STAR)، نشان داده‌اند که می‌توان با بهره‌گیری از نوع خاصی از مواد مغناطیسی نوظهور به نام دوبلایه‌های آلترمغناطیسی (Altermagnetic Bilayer)، مکانیسمی به نام قفل‌شدگی لایه‌ای-اسپینی (Layer-Spin Locking) ایجاد کرد که امکان کنترل کامل جریان‌های اسپینی را تنها با میدان الکتریکی و در دمای اتاق فراهم می‌سازد.

آلترمغناطیس چیست؟

آلترمغناطیس نوعی خاص از مغناطیس است که در آن، اسپین‌های الکترون‌ها در جهت‌های مخالف قرار دارند و باعث می‌شوند گشتاور‌های مغناطیسی در مقیاس کلان خنثی شوند. این ویژگی باعث می‌شود چنین موادی نه مشابه فرومغناطیس و نه آنتی‌فرومغناطیس باشند و در عوض رفتاری منحصر‌به‌فرد و قابل تنظیم از خود نشان دهند؛ رفتاری که آنها را برای کاربرد در اسپینترونیک بسیار مناسب می‌سازد.

عملکرد سیستم جدید چگونه است؟

در ساختار دوبلایه‌ی کروم‌سولفید (CrS)، الکترون‌ها به طور طبیعی در دو لایه با اسپین‌های مخالف جدا می‌شوند. پژوهشگران دریافتند که با اعمال یک میدان الکتریکی ساده، می‌توان به‌طور کامل جهت اسپین‌ها را وارونه کرد و به قطبش اسپینی تا ۸۷٪ در دمای اتاق دست یافت. این دستاورد به این معناست که دیگر نیازی به میدان مغناطیسی برای کنترل اسپین نیست.

توضیح مکانیسم با یک مثال ساده

ییسین آنگ از دانشگاه SUTD، در توضیح این پدیده گفت: «تصور کنید دو نوار نقاله داریم که هرکدام الکترون‌هایی با اسپین مخالف حمل می‌کنند. با یک کلید الکتریکی ساده، می‌توانیم یک نوار را بر دیگری غالب کنیم و اسپین انتقالی را تغییر دهیم. این دقیقاً همان کاری است که ما انجام داده‌ایم.»

این کشف می‌تواند انقلابی در حوزه‌های رایانش آینده، حافظه‌های ذخیره‌سازی و فناوری‌های کوانتومی ایجاد کند. تیم تحقیقاتی اکنون در حال کار بر روی راستی‌آزمایی تجربی و نمونه‌سازی اولیه دستگاه‌هاست تا بتوانند این فناوری را به مدار‌های واقعی وارد و در کاربرد‌های صنعتی استفاده کنند.

آنگ افزود: «هدف نهایی ما توسعه دستگاه‌های اسپینترونیکی عملیاتی و قابل تولید در مقیاس انبوه است که از لحاظ عملکرد از الکترونیک‌های مبتنی بر سیلیکون فعلی فراتر روند. این مطالعه نقشه راه ما برای رسیدن به آن هدف را ترسیم می‌کند.»

با شتاب گرفتن رقابت برای توسعه فناوری‌های محاسباتی نسل آینده، اسپینترونیک تمام‌الکتریکی می‌تواند نقشی کلیدی ایفا کند و این پژوهش گامی مهم در این مسیر به‌شمار می‌رود.

انتهای پیام/