یکشنبه, ۱۱ بهمن ۱۳۸۸

امکان انباشت اسپین در سیلیکون در دمای اتاق

دانشمندان هلندی برای اولین بار نشان دادند که می‌توان الکترون‌های با اسپین قطبیده را در دمای اتاق به سیلیکون تزریق کرد. آنها این الکترون‌ها را به سیلیکون‌های نوع p و n تزریق کرده و زمان پایداری قطبش آنها را اندازه گرفتند. با وجودی که این زمان کوتاه‌تر از حد مورد انتظار بود، دانشمندان بر این باورند که همین مدت زمان برای توسعه ابزارهای اسپینترونیک کافی است. آنها همچنین اولین گروهی هستند که الکترون‌های با اسپین قطبیده را در هر دمایی در سیلیکون نوع p شناسایی کرده‌اند.

اسپین ذاتی الکترون می‌تواند به سمت بالا یا پایین باشد و می‌توان از این ویژگی برای ذخیره‌سازی و پردازش اطلاعات در ابزارهای اسپینترونیکی استفاده کرد. سیلیکون ماده‌ای است که در مدارات الکترونیکی معمول استفاده می‌شود و دانشمندان می‌دانند که این ماده می‌تواند در دماهای زیر ۱۵۰ کلوین الکترون‌های با اسپین قطبیده را منتقل کند. چالش اصلی، توسعه این قابلیت به نحوی است که بتوان در دمای اتاق و در کابردهای عملی از آن استفاده کرد.

تزریق در دمای اتاق

حال رون جانسن و همکارانش در دانشگاه Twente برای اولین بار نشان داده‌اند که می‌توان الکترون‌های با اسپین قطبیده را در دمای اتاق به سیلیکون تزریق کرد. آنها کار خود را با نشاندن سه اتصال اکسیدی عایق روی یک قطعه سیلیکون آغاز کردند و سپس الکترودهای فلزی مغناطیسی را روی این اتصالات قرار دادند.

این فلز موازی با سطح سیلیکون مغناطیسی شده و یک جریان ثابت از الکترون‌ها از یک الکترود خارج شده، به سیلیکون وارد شده و به الکترود دوم جریان می‌یابد. مقاومت سیلیکون با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل میان الکترود اول (منبع) و سوم تعیین می‌شود.

الکترون‌ها در الکترودهای مغناطیسی قطبیده هستند و جهت اسپین بیشتر آنها به یک سمت است. در حین وارد شدن الکترون‌ها از الکترود منبع به سیلیکون، برخی از این الکترون‌ها اسپین خود را حفظ کرده و موجب انباشتگی اسپین در ناحیه زیر الکترود منبع می‌شوند.

تغییر در مقاومت

الکترون‌های دارای اسپین یکسان تمایل دارند از هم دور باشند. به همین جهت با افزایش انباشتگی الکترون‌های قطبی در سیلیکون، مقاومت سطح تماس افزایش می‌یابد. با این حال اگر یک میدان مغناطیسی به صورت عمود بر جهت اسپین‌ها اعمال شود، این اسپین‌ها حول میدان اعمال شده جهت‌گیری می‌کنند. این کار انباشت اسپین و در نتیجه مقاومت سطح تماس را کاهش می‌دهد.

جانسن و همکارانش این اثر را با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل دو الکترود در حین تغییر شدت میدان اعمال شده، مشاهده نمودند. آنها توانستند با اندازه‌گیری تغییر کلی مقاومت، انباشتگی اسپین را در سیلیکون محاسبه کنند که حدود ۵ درصد در دمای اتاق بود. آنها همچنین توانستند عمر یک اسپین را در سیلیکون نوع p و نوع n اندازه بگیرند که به ترتیب ۲۷۰ و ۱۴۰ پیکوثانیه بود.

آیا این زمان کافی است؟

در مدت زمان حدود ۲۰۰ پیکوثانیه یک اسپین چندصد نانومتر در ابزار اسپینترونیکی حرکت می‌کند. جانسن می‌گوید این مدت زمان بسیار طولانی‌تر از زمانی است که برای ساختن یک ابزار اسپینترونیکی نیاز داریم. اندازه مدارات اسپینترونیکی ده‌ها نانومتر بوده و با فرکانس ۱۰ تا ۱۰۰ گیگاهرتز کار می‌کنند.