Teknologi Canggih Memungkinkan Praktek Spintronik Semikonduktor

Konfigurasi eksperimental mirip dengan yang digunakan oleh para peneliti. Kredit: Thor Balkhed

Dimungkinkan di masa depan untuk menggunakan teknologi informasi di mana spin elektron digunakan untuk memproses informasi di komputer kuantum. Sudah lama menjadi tujuan para ilmuwan untuk dapat menggunakan teknologi informasi kuantum berbasis spin pada suhu kamar. Para peneliti di Swedia, Finlandia, dan Jepang kini telah membangun komponen semikonduktor di mana informasi dapat dipertukarkan secara efektif antara putaran elektron dan cahaya – pada suhu kamar dan di atasnya.

Diketahui bahwa elektron memiliki muatan negatif dan juga memiliki sifat lain yaitu spin. Yang terakhir ini terbukti berperan penting dalam kemajuan teknologi informasi. Untuk menyederhanakannya, kita dapat membayangkan elektron berputar di sekitar porosnya sendiri, mirip dengan cara bumi berputar di sekitar porosnya sendiri. Spintronica – kandidat yang menjanjikan untuk teknologi informasi masa depan – menggunakan properti kuantum elektron untuk menyimpan, memproses, dan mentransfer informasi. Ini membawa manfaat penting, seperti kecepatan yang lebih tinggi dan konsumsi energi yang lebih rendah daripada elektronik tradisional.

Weimin Chen

Weimin Chen, profesor di Universitas Linköping. Kredit: Peter Modin / LiU

Perkembangan spintronik dalam beberapa dekade terakhir didasarkan pada penggunaan logam, dan ini sangat signifikan untuk kemampuan menyimpan data dalam jumlah besar. Namun, akan ada beberapa keuntungan dalam penggunaan spintronik berbasis semikonduktor, dengan cara yang sama semikonduktor membentuk tulang punggung elektronik dan fotonik saat ini.

“Keuntungan penting dari spintronik berbasis semikonduktor adalah kemampuan untuk mengubah informasi yang diwakili oleh keadaan putaran dan mentransfernya ke cahaya, dan sebaliknya. Teknologi tersebut dikenal dengan nama opto-spintronics. Ini akan mengintegrasikan pemrosesan dan penyimpanan informasi berbasis spin dengan transfer informasi melalui cahaya, ”kata Weimin Chen, seorang profesor di Universitas Linköping, Swedia, yang memimpin proyek tersebut.

Karena elektronik yang digunakan saat ini beroperasi pada suhu kamar dan di atasnya, masalah serius dalam perkembangan spintronik adalah bahwa elektron cenderung berubah dan mengacak arah rotasinya saat suhu meningkat. Ini berarti bahwa informasi yang dikodekan oleh keadaan spin elektron hilang atau menjadi ambigu. Oleh karena itu, kondisi yang diperlukan untuk pengembangan spintronik berbasis semikonduktor bahwa kita pada dasarnya dapat mengarahkan semua elektron ke keadaan spin yang sama dan menjaganya, dengan kata lain spin-polarized, pada suhu kamar dan suhu yang lebih tinggi. Penelitian sebelumnya telah mencapai polarisasi spin elektron yang lebih tinggi sekitar 60% pada suhu kamar, tidak dapat dipertahankan untuk aplikasi praktis skala besar.

Para peneliti di Universitas Linköping, Universitas Tampere dan Universitas Hokkaido sekarang kita telah mencapai polarisasi spin elektron pada suhu kamar lebih dari 90%. Polarisasi spin tetap pada level tinggi bahkan hingga 110 ° C. Kemajuan teknologi ini, yang dijelaskan dalam Photonics of Nature, didasarkan pada struktur nano opto-spintronik yang telah dibangun para peneliti dari lapisan bahan semikonduktor yang berbeda (lihat deskripsi di bawah artikel). Ini berisi daerah skala nano yang disebut titik kuantum. Setiap titik kuantum sekitar 10.000 kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia.

Nanostruktur Opto-Spintronik Titik Kuantum

Titik-titik kuantum dalam struktur nano opto-spintronik terbuat dari indium arsenide (InAs). Setiap titik kuantum sekitar 10.000 kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia. Kredit: Yuqing Huang

Ketika spin elektron terpolarisasi mengenai titik kuantum, ia memancarkan cahaya – lebih tepatnya, ia memancarkan foton tunggal dengan keadaan (momentum sudut) yang ditentukan oleh spin elektron. Dengan demikian, titik kuantum dianggap memiliki potensi besar sebagai antarmuka untuk mentransfer informasi antara putaran elektron dan cahaya, seperti yang akan dibutuhkan dalam spintronik, fotonik, dan komputasi kuantum. Dalam studi yang baru diterbitkan, para ilmuwan menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menggunakan filter putaran yang berdekatan untuk mengontrol putaran elektron dari titik-titik kuantum di kejauhan, dan pada suhu kamar.

Titik kuantum terbuat dari indium arsenide (InAs), dan lapisan gallium nitrogen arsenide (GaNAs) berfungsi sebagai filter spin. Lapisan galium arsenida (GaAs) ditempatkan di antara keduanya. Struktur serupa sudah digunakan dalam teknologi optoelektronik berdasarkan gallium arsenide, dan para peneliti percaya ini dapat mempermudah integrasi spintronics dengan komponen elektronik dan fotonik yang ada.

“Kami sangat senang bahwa upaya jangka panjang kami untuk meningkatkan keterampilan yang dibutuhkan untuk memproduksi semikonduktor yang mengandung N yang sangat terkontrol menentukan batas baru dalam spintronik. Sejauh ini, kami telah mencapai tingkat keberhasilan yang baik saat menggunakan bahan semacam itu untuk perangkat optoelektronik, yang terbaru dalam sel surya dan dioda laser efisiensi tinggi. Sekarang kami bersemangat untuk melanjutkan pekerjaan ini dan menyatukan fotonik dan spintronik, menggunakan platform umum untuk teknologi kuantum berbasis cahaya dan spin, ”kata Profesor Mircea Guina, kepala tim peneliti di Universitas Tampere di Finlandia.


Apa itu spintronics?

Spintronica ini adalah teknologi yang menggunakan muatan dan kabel elektron untuk memproses dan membawa informasi.

Perputaran elektron dapat diprediksi saat elektron berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar porosnya, dengan cara yang sama seperti Bumi berputar di sekitar porosnya. Dua arah rotasi disebut “naik” dan “turun”. Dalam teknologi elektronik yang digunakan saat ini, muatan elektron digunakan untuk mewakili 0 dan 1, dan dengan cara ini elektron membawa informasi. Sejalan dengan itu, informasi dapat direpresentasikan dalam spintronik menggunakan keadaan spin elektron.

Ilustrasi Struktur Nano Opto-Spintronik

Dalam struktur nano opto-spintronik, tingkat polarisasi spin elektron lebih besar dari 90% dicapai pada suhu kamar pada titik kuantum, dengan menggunakan filter spin untuk memungkinkan cacat jarak jauh melalui lapisan yang berdekatan dari gallium nitrogen arsenide (GaNAs) . Ketika elektron terpolarisasi seperti spin bergabung kembali, ia memancarkan cahaya kiral. Keadaan spin elektron menentukan apakah medan elektromagnetik cahaya akan berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar arah perjalanan. Kredit: Yuqing Huang

Dalam dunia fisika kuantum, sebuah elektron dapat menahan kedua arah putaran pada saat yang sama (dan karenanya berada dalam keadaan campuran 1 dan 0). Ini, tentu saja, sama sekali tidak terpikirkan dalam dunia “klasik” tradisional, dan merupakan kunci komputasi kuantum. Oleh karena itu, Spintronics menjanjikan untuk pengembangan komputer kuantum.

Opto-spintronics melibatkan transfer informasi yang diwakili oleh keadaan spin elektron ke cahaya, dan sebaliknya. Cahaya, foton, kemudian dapat menyeret informasi ke depan melalui serat optik, dengan sangat cepat dan dalam jarak yang jauh. Keadaan rotasi elektron menentukan sifat-sifat cahaya, atau lebih tepatnya, menentukan apakah medan elektromagnetik cahaya akan berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar arah perjalanan, dengan cara yang sama seperti pembuka botol dapat memiliki searah jarum jam. atau berlawanan arah jarum jam.

Sumber: Weimin Chen, profesor di Universitas Linköping


Referensi: “Polarisasi spin elektron pada suhu kamar melebihi 90% dalam struktur nano semikonduktor opto-spintronik melalui filter spin jarak jauh” oleh Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova dan Weimin M. Chen, 8 April 2021, Photonics of Nature.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00786-y

Dukungan keuangan untuk penelitian telah disediakan oleh, antara lain, Dewan Penelitian Swedia, Yayasan Swedia untuk Kerjasama Internasional dalam Penelitian dan Pendidikan Tinggi (STINT), Area Penelitian Strategis Pemerintah Swedia dalam Ilmu Material pada Materi Fungsional di Universitas Linköping, Dewan Riset Eropa ERC, Akademi Finlandia, dan Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.