wersja mobilna
Online: 805 Niedziela, 2016.12.11

Biznes

Polscy i niemieccy naukowcy opracowali nowy tranzystor spinowy

środa, 25 lipca 2012 10:18

Polsko-niemiecki zespół fizyków zaprezentował nowy typ tranzystora spinowego. Eksperymentalna demonstracja, przeprowadzona na Uniwersytecie w Ratyzbonie, była możliwa dzięki unikatowym strukturom półprzewodnikowym, wykonanym w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN) w Warszawie w ramach projektu "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie" Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Osiągnięcie przedstawiono w artykule w najnowszym wydaniu "Science", jednego z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych świata.

Tranzystory powszechnie stosowane w urządzeniach codziennego użytku działają kontrolując przepływy dużych ilości nośników ładunków elektrycznych. Miniaturyzacja obwodów funkcjonujących na tej zasadzie jest jednak trudna z uwagi na wydzielające się ciepło.

"Tranzystor spinowy wykorzystuje nie ładunek elektryczny, a inną cechę kwantową elektronu: spin, czyli jego wewnętrzny momentu pędu", wyjaśnia prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz z IF PAN, który kierował polską grupą zaangażowaną w budowę nowego tranzystora.

Ze spinem nierozerwalnie wiąże się pole magnetyczne. Ponieważ przypadkowe pola magnetyczne są dużo słabsze niż przypadkowe pola elektryczne, pamięci spintroniczne nie traciłyby informacji po odłączeniu zasilania, a procesory spintroniczne potrafiłyby fizycznie modyfikować własne obwody, dopasowując swoją strukturę logiczną do aktualnych potrzeb. Z kolei umiejętność operowania spinami pojedynczych elektronów otworzyłaby drogę do budowy komputerów kwantowych - urządzeń, które zgodnie z przewidywaniami teoretyków będą realizować pewne klasy algorytmów w nieprawdopodobnie krótkim czasie.

Fizycy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Ratyzbonie zbudowali nowy typ tranzystora spinowego. W półprzewodnikowej strukturze z tellurku kadmu silnie domieszkowanego manganem, wykonanej w IF PAN, elektrony tworzą dwuwymiarowe morze. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego elektrony w morzu zaczynają się przemieszczać, dopasowując swój spin do kierunku lokalnego pola magnetycznego generowanego przez magnesy z dysprozu. Pozwala to zabezpieczyć informację spinową przed utratą. (Źródło: IF PAN, ACh)

Pierwszą ideę budowy półprzewodnikowego tranzystora spinowego przedstawiono w 1990 roku. Pomysł udało się sprawdzić doświadczalnie dopiero trzy lata temu. Otrzymane sygnały były jednak słabe, co wynikało z faktu, że elektrony wstrzykiwano do półprzewodnika z małą wydajnością, a na dodatek szybko traciły one początkowy kierunek spinu.

W tranzystorze spinowym skonstruowanym przez zespół z Uniwersytetu w Ratyzbonie, kierowany przez prof. Dietera Weissa, i grupę badaczy z Instytutu Fizyki PAN, wykorzystano „twierdzenie adiabatyczne” mechaniki kwantowej. Twierdzenie to mówi, że orientacja spinu elektronu pozostanie niezmieniona, jeśli zewnętrzne zaburzenie zmienia się powoli, czyli adiabatycznie. W takich warunkach informacja spinowa jest zabezpieczona przed utratą, a jej nośniki mogą się poruszać w układzie półprzewodnikowym na odległość nawet kilkunastu mikrometrów (milionowych części metra).

Eksperymentalna realizacja idei była możliwa za pomocą przyrządu półprzewodnikowego wykonanego w IF PAN. Układ studni kwantowych zbudowano z rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych należących do II i VI grupy układu okresowego pierwiastków (struktura (Cd,Mn)Te z tellurku kadmu silnie domieszkowanego manganem). Rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne charakteryzują się nadzwyczajną czułością spinu elektronu na zewnętrzne pole magnetyczne. Przyrząd z IF PAN skonstruowano w taki sposób, że jego elektrony tworzą dwuwymiarowy gaz. Za pomocą wysokorozdzielczej litografii elektronowej na Uniwersytecie w Ratyzbonie na strukturę naniesiono periodyczną siatkę miniaturowych magnesów z rzadkiego metalu, dysprozu. Po namagnesowaniu, wytworzyły one wolno zmieniające się pole magnetyczne o niewielkiej indukcji 50 militesli.

W tak skonstruowanym tranzystorze spinowym elektrony poruszały się od źródła do drenu pod wpływem pola elektrycznego. Podczas wędrówki kierunek ich spinu dopasowywał się do aktualnego kierunku pola magnetycznego generowanego przez magnesy z dysprozu. Tranzystor był wtedy w stanie włączonym, czyli jego oporność na drodze źródło-dren była mała.

Po przyłożeniu dodatkowego, zewnętrznego pola o indukcji 50 mT, równoważącego lokalnie pole magnesów z dysprozu, na drodze ruchu elektronów powstawały periodyczne miejsca skompensowanego pola magnetycznego, gdzie elektrony, aby przemieszczać się dalej, musiałyby gwałtownie zmienić kierunek swego spinu. Wskutek związanych z tym zjawisk fizycznych, część elektronów jest w tej sytuacji odbijana i opór źródło-dren wzrasta – tranzystor przechodzi w stan wyłączony. Prototyp tranzystora, przedstawiony przez polskich i niemieckich badaczy, działa w temperaturach kriogenicznych.

"W tym doświadczeniu byliśmy dostawcami technologii półprzewodnikowych o wyjątkowych parametrach”, podkreśla prof. Wojtowicz i dodaje, że ruchliwość elektronów w strukturach (Cd,Mn)Te wytwarzanych w IF PAN jest w tej grupie układów największa na świecie. "To efekt siedmiu lat intensywnej pracy nad obecnymi materiałami i niemal 20 lat naszych doświadczeń nad technologiami epitaksji z wiązek molekularnych, które rozwijamy wraz z profesorami Grzegorzem Karczewskim i Jackiem Kossutem w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych IF PAN", mówi prof. Wojtowicz.

"Udział naszego Instytutu w skonstruowaniu nowego tranzystora spinowego to kolejny spektakularny rezultat, który był możliwy dzięki znaczącym środkom finansowym z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka", podkreśla prof. dr hab. Leszek Sirko, dyrektor Instytutu Fizyk PAN.

Idea adiabatycznego tranzystora spinowego, zaprezentowana dzięki wyjątkowej jakości polskich układów półprzewodnikowych, w przyszłości będzie mogła być zrealizowana także za pomocą materiałów zbudowanych z innych pierwiastków niż kadm i tellur. Nowe tranzystory i urządzenia mogłoby wtedy działać także w temperaturze pokojowej, co byłby wielkim krokiem na drodze do zastosowań spintroniki.

źródło: IF PAN

 

World News 24h

niedziela, 11 grudnia 2016 10:09

Rumors for Samsung’s upcoming flagship, the Galaxy S8, which could make or further break the company’s rather tarnished brand image have already started pouring in. And the trend started by Apple with the iPhone lineup - removal of the 3.5mm headphone jack - earlier this year, is now expected to be picked up and driven further by the Korean giant.

więcej na: technews.co

Produkty