Учёные превратили давнюю проблему в электронике — дефекты материалов — в квантовое решение, открыв путь для создания спинтронных устройств нового поколения с ультранизким энергопотреблением.
Спинтроника (от англ. 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», и 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
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 с ультранизким энергопотреблением.
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, было посвящено орбитальному эффекту Холла в рутенате стронция (SrRuO₃), оксиде переходного металла, свойства которого можно точно настраивать. 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 «двух зайцев одним выстрелом»: инженерное проектирование дефектов одновременно повышает орбитальную проводимость Холла и орбитальный угол Холла, что резко контрастирует с традиционными спиновыми системами.
Использование лазеров для охлаждения квантованных 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 — наименьшего уровня энергии, допустимого 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. Ракич отмечает, что в квантовом мире «массивный» — понятие относительное. В данном случае это 10 микрограммов материала в движении акустической волны, или объект размером с песчинку. На атомном уровне это соответствует огромному количеству атомов (100 квадриллионов), движущихся согласованно.
Это большой шаг вперёд, поскольку предыдущие методы, использовавшие свет для управления движением на квантовом уровне, были ограничены объектами, которые были примерно в миллион раз меньше. Увеличение масштаба этой системы важно, поскольку это увеличенный размер приводит к более длительному времени когерентности — то есть времени, в течение которого квантовая информация может сохранять свои квантовые свойства, прежде чем они распадутся.
Профессор Ракич, профессор прикладной физики Донны Дубински, объясняет, что управлять различными взаимодействиями, происходящими на поверхностях, чрезвычайно сложно. Поэтому подход лаборатории Ракича работает так хорошо — используя свет для доступа к звуковым волнам внутри кристалла, они значительно уменьшают поверхностные взаимодействия, эффективно защищая эту систему от нежелательной квантовой декогеренции.
Хагай Диаманди, бывший научный сотрудник лаборатории Ракича и ведущий автор статьи, отметил, что система обеспечивает отличные материальные свойства без многих недостатков традиционных методов.
Исследователи разработали принципиально новый тип объёмного акустического резонатора, который позволяет получать доступ к высокочастотным фононам с помощью света. Они смогли усилить взаимодействие между светом и массивными фононами внутри резонатора с помощью устройства, известного как оптический резонатор Фабри-Перо, который использует зеркала с высокой отражательной способностью для усиления светового поля в кристаллическом резонаторе.
С помощью этой системы они смогли использовать лазеры для охлаждения квантованных вибраций (или фононов) внутри этих объектов до их низшего состояния энергии. Таким образом, они стабилизировали фононы и усилили их квантовые свойства.