Na nanoestrutura opto-spintrônica, um grau de polarização de spin de elétrons maior que 90% é alcançado em temperatura ambiente em um ponto quântico, via filtragem de rotação habilitada para defeitos remotos através de uma camada adjacente de arsenieto de nitrogênio de gálio (GaNAs). Quando um elétron polarizado de spin se recombina, ele emite luz quiral. O estado de spin do elétron determina se o campo eletromagnético da luz irá girar no sentido horário ou anti-horário em torno da direção de viagem. Crédito:Yuqing Huang
Pode ser possível no futuro usar a tecnologia da informação onde o spin do elétron é usado para armazenar, processar e transferir informações em computadores quânticos. Há muito tempo o objetivo dos cientistas é ser capaz de usar a tecnologia de informação quântica baseada no spin em temperatura ambiente. Uma equipe de pesquisadores da Suécia, A Finlândia e o Japão já construíram um componente semicondutor no qual as informações podem ser trocadas com eficiência entre o spin do elétron e a luz em temperatura ambiente e acima. O novo método é descrito em um artigo publicado em Nature Photonics .
É bem sabido que os elétrons têm carga negativa; eles também têm outra propriedade chamada spin. Isso pode ser fundamental para o avanço da tecnologia da informação. Para simplificar, podemos imaginar o elétron girando em torno de seu próprio eixo, semelhante à maneira como a Terra gira em torno de seu próprio eixo. Spintrônica - um candidato promissor para o futuro da tecnologia da informação - usa esta propriedade quântica dos elétrons para armazenar, processar e transferir informações. Isso traz benefícios importantes, como maior velocidade e menor consumo de energia do que a eletrônica tradicional.
Os desenvolvimentos na spintrônica nas últimas décadas têm se baseado no uso de metais, e estes têm sido altamente significativos para a possibilidade de armazenar grandes quantidades de dados. Haveria, Contudo, várias vantagens no uso de spintrônica com base em semicondutores, da mesma forma que os semicondutores formam a espinha dorsal da eletrônica e da fotônica de hoje.
"Uma vantagem importante da spintrônica baseada em semicondutores é a possibilidade de converter a informação representada pelo estado de spin e transferi-la para a luz, e vice versa. A tecnologia é conhecida como opto-spintrônica. Isso possibilitaria integrar o processamento e o armazenamento de informações baseados em spin com a transferência de informações por meio da luz, "diz Weimin Chen, professor da Linköping University, Suécia, quem liderou o projeto.
Os pontos quânticos na nanoestrutura opto-spintrônica são feitos de arseneto de índio (InAs). Cada ponto quântico tem cerca de 10, 000 vezes menor que a espessura de um cabelo humano. Crédito:Yuqing Huang
Como os eletrônicos usados hoje operam em temperatura ambiente e acima, um problema sério no desenvolvimento da spintrônica foi que os elétrons tendem a mudar e randomizar sua direção de rotação quando a temperatura aumenta. Isso significa que a informação codificada pelos estados de spin do elétron é perdida ou se torna ambígua. É, portanto, uma condição necessária para o desenvolvimento da spintrônica baseada em semicondutores que possamos orientar essencialmente todos os elétrons para o mesmo estado de spin e mantê-lo, em outras palavras, eles são polarizados por spin, em temperatura ambiente e em temperaturas mais altas. Pesquisas anteriores alcançaram uma polarização de spin de elétron mais alta de cerca de 60% à temperatura ambiente, insustentável para aplicações práticas em grande escala.
Pesquisadores da Linköping University, A Universidade de Tampere e a Universidade de Hokkaido agora alcançaram uma polarização de spin do elétron em temperatura ambiente superior a 90%. A polarização do spin permanece em um nível alto mesmo até 110 ° C. Este avanço tecnológico, que é descrito em Nature Photonics , é baseado em uma nanoestrutura opto-spintrônica que os pesquisadores construíram a partir de camadas de diferentes materiais semicondutores. Ele contém regiões em nanoescala chamadas pontos quânticos. Cada ponto quântico tem cerca de 10, 000 vezes menor que a espessura de um cabelo humano. Quando um elétron polarizado de spin colide com um ponto quântico, ele emite luz - para ser mais preciso, ele emite um único fóton com um estado (momento angular) determinado pelo spin do elétron. Assim, pontos quânticos são considerados como tendo um grande potencial como uma interface para transferir informações entre o spin do elétron e a luz, como será necessário na spintrônica, fotônica e computação quântica. No estudo recém-publicado, os cientistas mostram que é possível usar um filtro de spin adjacente para controlar remotamente o spin do elétron dos pontos quânticos, e à temperatura ambiente.
Os pontos quânticos são feitos de arseneto de índio (InAs), e uma camada de arsenieto de nitrogênio de gálio (GaNAs) funciona como um filtro de spin. Uma camada de arsenieto de gálio (GaAs) é imprensada entre eles. Estruturas semelhantes já estão sendo usadas na tecnologia optoeletrônica à base de arseneto de gálio, e os pesquisadores acreditam que isso pode facilitar a integração da spintrônica com os componentes eletrônicos e fotônicos existentes.
"Estamos muito felizes que nossos esforços de longo prazo para aumentar a experiência necessária para fabricar semicondutores contendo N altamente controlados estão definindo uma nova fronteira na spintrônica. Até agora, tivemos um bom nível de sucesso ao usar esses materiais para dispositivos optoeletrônicos, mais recentemente, em células solares de alta eficiência e diodos laser. Agora estamos ansiosos para continuar este trabalho e unir fotônica e spintrônica, usando uma plataforma comum para tecnologia quântica baseada em luz e spin, "diz o professor Mircea Guina, chefe da equipe de pesquisa da Universidade de Tampere, na Finlândia.
