Новая квантовая система может помочь спроектировать лучшую спинтронику
Исследователи создали новую испытательную площадку для квантовых систем, в которой они могут буквально включать и выключать определенные взаимодействия частиц, что потенциально прокладывает путь для достижений в спинтронике.
Спин-транспортная электроника может революционизировать электронные устройства, какими мы их знаем, особенно когда речь идет о вычислительной технике. В то время как стандартная электроника использует заряд электрона для кодирования информации, устройства спинтроники полагаются на другое внутреннее свойство электрона: его вращение.
Spintronics может быть быстрее и надежнее, чем обычная электроника, поскольку вращение можно быстро изменить, и эти устройства потребляют меньше энергии. Тем не менее, эта область является молодой, и исследователям необходимо решить множество вопросов, чтобы улучшить контроль над информацией о вращении. Один из самых сложных вопросов, возникающих в этой области, заключается в том, как сигнал, переносимый частицами со спином, известным как спиновый ток, затухает со временем.
«Сигнал, который нам нужен для того, чтобы заставить спинтронику работать и изучать эти вещи, может затухать. Точно так же, как мы хотим, чтобы хороший сотовый телефон совершал звонок, мы хотим, чтобы этот сигнал был сильным», — сказал Чуан-Сюнь Ли, аспирант в области электротехники и вычислительной техники в университете Пердью. «Когда затухает спиновый ток, мы теряем сигнал». В реальном мире электроны не существуют независимо от всего, что их окружает, и ведут себя именно так, как мы ожидаем. Они взаимодействуют с другими частицами и среди различных свойств внутри себя. Взаимодействие между спином частицы (внутреннее свойство) и импульсом (внешнее свойство) называется спин-орбитальной связью .
Согласно новой статье в Nature Communications , спин-орбитальное взаимодействие и взаимодействие с другими частицами может значительно увеличить затухание спинового тока в квантовой жидкости, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC).
«Люди хотят манипулировать формированием спина, чтобы мы могли использовать его для кодирования информации, и один из способов сделать это — использовать физические механизмы, такие как спин-орбитальное соединение», — сказал Ли. «Однако это может привести к некоторым недостаткам, таким как потеря информации вращения».
Эксперимент был проведен в лаборатории профессора физики и астрономии Йонга Чена, а также электротехники и вычислительной техники в Пердью, где его команда создала нечто вроде мини-коллайдера частиц для BEC. С помощью лазеров атомы рубидия-87 в вакуумной камере улавливались и охлаждались почти до абсолютного нуля. (Любители физики могут вспомнить, что технологии лазерного охлаждения получили Нобелевскую премию по физике в 1997 году. Лазерная ловля получила эту премию в 2018 году.
В этот момент атомы становятся БЭК: самым холодным и загадочным из пяти состояний материи. Когда атомы становятся холоднее, они начинают проявлять волнообразные свойства. В этом квантовом состоянии у них кризис идентичности; они пересекаются друг с другом и перестают вести себя как люди. Хотя БЭК технически не является газом, это может быть самый простой способ представить его — физики небрежно называют его квантовой жидкостью или квантовым газом.
Внутри мини-квантового жидкостного коллайдера команда Чена послала два BEC с противоположными спинами, врезавшимися друг в друга. Как два газовых облака, они частично проникают друг в друга, создавая спиновый ток.
«Когда вы сталкиваетесь с двумя конденсатами, возникает много интересных явлений. Первоначально они являются сверхтекучими, но когда они сталкиваются, часть трения может превратить их в термальный газ», — сказал Чен. «Поскольку мы можем контролировать каждый параметр, это действительно эффективная система для изучения подобных коллизий».
Используя эту систему, исследователи могут буквально включать и выключать спин-орбитальную связь, что позволяет им изолировать ее влияние на затухание спинового тока. Этого нельзя добиться с помощью электронов в твердотельных материалах, что является частью того, что делает эту систему такой мощной, сказал Чен.
Так называемый квантовый газ — самая чистая система, которую человек может создать. Там нет беспорядка, который позволяет создать чистый спиновый ток и изучить его свойства. Чен надеется продолжать использовать этот экспериментальный полигон и их бозонный спиновый ток для дальнейшего изучения многих фундаментальных вопросов в области спинового транспорта и квантовой динамики.
«Одной из важных задач для спинтроники и других связанных квантовых технологий является снижение затухания, чтобы мы могли распространять информацию о спине на большие расстояния и в течение более длительного времени», — сказал он. «С этим новым знанием роли спин-орбитальной связи, это может помочь людям получить новое понимание, чтобы уменьшить затухание спина и потенциально также разработать лучшие устройства спинтроники».
