Учёные превратили давнюю проблему электроники — дефекты материалов — в квантовое решение, открыв путь для создания спинтронных устройств нового поколения с ультранизким энергопотреблением.
Спинтроника (от «spin electronics») — это область технологий, которая стремится выйти за пределы традиционной электроники.
Традиционные устройства используют только электрический заряд электронов для хранения и обработки информации. Спинтроника использует два дополнительных квантовых свойства:
* спин-угловой момент, который можно представить как встроенную ориентацию электрона «вверх» или «вниз»;
* орбитальный угловой момент, который описывает движение электронов вокруг атомных ядер.
Используя эти дополнительные степени свободы, спинтронные устройства могут хранить больше данных на меньших пространствах, работать быстрее, потреблять меньше энергии и сохранять информацию даже при отключении питания.
Проблема дефектов материалов в спинтронике
Долгое время проблемой в спинтронике была роль дефектов материалов. Введение несовершенств в материал иногда упрощает запись данных в биты памяти за счёт снижения необходимого тока, но это обычно приводит к увеличению электрического сопротивления, снижению проводимости спинового Холла и общему увеличению энергопотребления. Этот компромисс был серьёзным препятствием для разработки устройств спинтроники с ультранизким энергопотреблением.
Теперь группа исследователей из Гибкой магнитно-электронной группы материалов и устройств Нинбоского института материаловедения и инженерии (NIMTE) Китайской академии наук нашла способ превратить эту проблему в преимущество.
Их исследование, опубликованное в Nature Materials, посвящено орбитальному эффекту Холла в рутенате стронция (SrRuO₃), оксиде переходного металла, свойства которого можно точно настроить. Это квантовое явление заставляет электроны двигаться определённым образом в зависимости от их орбитального углового момента.
Используя специально разработанные устройства и прецизионные методы измерения, исследователи обнаружили нетрадиционный закон масштабирования, который позволяет достичь результата «две птицы одним камнем»: инженерное проектирование дефектов одновременно повышает орбитальную проводимость Холла и орбитальный угол Холла, что резко контрастирует с традиционными спиновыми системами.
Экспериментальные измерения подтверждают потенциал технологии: индивидуальная модуляция проводимости позволила добиться трёхкратного улучшения энергоэффективности переключения.
Это исследование не только даёт новое представление о физике орбитального транспорта, но и переопределяет стратегии проектирования энергоэффективной спинтроники.
\\\*
Использование лазеров для охлаждения квантовых вибраций звука
Используя новые методы, исследователи из Йельского университета продемонстрировали возможность использования лазеров для охлаждения квантованных вибраций звука в массивных объектах до их квантового основного состояния — наименьшей энергии, допустимой квантовой механикой. Этот прорыв может принести пользу связи, квантовым вычислениям и другим приложениям. Результаты опубликованы в Nature Physics.
Используя микромасштабный резонатор, изготовленный из кристаллического кварца, исследовательская группа под руководством профессора Питера Ракича продемонстрировала, что они могут контролировать вибрации в этих макроскопических механических объектах на квантовом уровне с помощью света.
В данном случае 10 микрограммов материала находятся в движении акустической волны, или объект немного меньше песчинки. На атомном уровне это соответствует огромному количеству атомов (100 квадриллионов), движущихся согласованно.
Это большой шаг вперёд, поскольку предыдущие методы, использовавшие свет для контроля движения на квантовом уровне, были ограничены объектами, которые были примерно в миллион раз меньше. Увеличенный масштаб этой системы важен, поскольку увеличение размера приводит к увеличению времени когерентности — то есть времени, в течение которого квантовая информация может сохранять свои квантовые свойства перед распадом.
Профессор Ракич, доцент прикладной физики, отмечает, что контролировать различные взаимодействия, происходящие на поверхностях, чрезвычайно сложно. Поэтому подход лаборатории Ракича работает так хорошо — используя свет для доступа к звуковым волнам в объёме кристалла, они значительно уменьшают поверхностные взаимодействия, эффективно защищая эту систему от нежелательной квантовой декогеренции.
\\\*
Это лишь один из возможных вариантов перевода. Пожалуйста, уточните, если вам нужен другой вариант.