Новая квантовая система для спинтроники

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.

Спинтроника 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.

Спинтроника 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, может затухать. Точно так же, как мы хотим, чтобы хороший сотовый телефон совершал звонок, мы хотим, чтобы этот сигнал был сильным», — говорят исследователи. «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. 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 время 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», — говорит Ли Чуань, аспирант из Университета Пердью. «Однако это может привести к некоторым недостаткам, таким как потеря информации при вращении».

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. В этот момент атомы становятся BEC: самым холодным и загадочным из пяти состояний материи. Хотя BEC 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 ученых направила два BEC с противоположными спинами друг к другу, в результате чего они сталкивались. Как два газовых облака, они частично проникали друг в друга, создавая спиновый ток.

«Когда вы сталкиваете два конденсата, возникает много интересных явлений. Первоначально они являются сверхтекучими, но когда они сталкиваются, часть трения может превратить их в термальный газ», — говорят ученые.

«Поскольку мы можем контролировать каждый параметр, это действительно эффективная система для изучения подобных коллизий».

Используя такую 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.

Так называемый квантовый газ — самая чистая система, которую человек может создать. Там нет беспорядка, что позволяет создать чистый спиновый ток и изучить его свойства. Ученые надеются продолжать использовать этот экспериментальный полигон и спиновый ток для дальнейшего изучения многих фундаментальных вопросов в области спинтроники 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 Ли Чуань. «С новым знанием роли спин-орбитальной связи, это может помочь людям получить новое понимание, чтобы уменьшить затухание спина и потенциально разработать лучшие устройства спинтроники».

Chuan-Hsun Li et al, Spin current generation and relaxation in a quenched spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-018-08119-4