جریان‌هایی از اسپین الکترون بیش از نیم میکرون در طول ژرمانیوم در دمای اتاق طی مسیر کنند؛ نتیجه‌ای که جمعی از پژوهش‌گران در ژاپن و انگلستان به آن دست یافته‌اند. هرچند پیش‌ترها فیزیک‌دانان می‌دانستند که ژرمانیوم یک رسانای خوب اسپین‌ها در دماهای بسیار پائین محسوب می‌شود٬ اما این بهترین اندازه‌گیری از قابلیت این ماده در انتقال اسپین در دمای اتاق است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که می‌توان از ژرمانیوم در ساخت قطعات اسپین‌ترونیک بهره برد. این قطعات از ممان مغناطیسیِ الکترون‌ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند.

ایده‌ی اسپین‌ترونیک به حدود چندین دهه می‌رسد و این فناوریِ نوپا ظهور قطعاتی را وعده می‌دهد که کوچک‌تر و بسیار کارآمدتر از قطعات الکترونیکی سنتی هستند. کاربرد بالقوه‌ی دیگر اسپین‌ترونیک استفاده از تک‌اسپین‌های الکترون‌هاست (که یا به سمت پائین‌اند یا بالا) تا اطلاعات را در رایانه‌های کوانتومی ذخیره و منتقل کنند.

با این حال ثابت شده که ساخت قطعات اسپین‌ترونیکی بسیار دشوار است. چون اسپین‌های الکترونی در اغلب مواد٬ مسیر خیلی طولانی را طی نمی‌کنند و بنابراین اطلاعات به سرعت از دست می‌روند. چالش اصلی غلبه بر یک اثر معروف در فیزیک موسوم به «اندرکنش اسپین-مدار» است. چنان‌چه الکترون در یک ماده طی مسیر می‌کند حرکات نسبیِ اتم‌های باردار مثبت باعث بوجود آمدن میدان‌های مغناطیسی می‌شود و این باعث چرخش اسپین الکترون‌ها می‌شود. در بسیاری از مواد این عامل موجب تخریب سریع یک جریان اسپینی در طول فواصل بسیار کوتاه می‌شود. خوشبختانه برخی نیم‌رساناها که در اسپین‌ترونیک بکار رفته‌اند (شامل سیلیکون و ژرمانیوم) اندرکنش‌های اسپین-مدار بسیار ضعیف دارند و مطالعات بسیار زیادی انجام شده در مورد ویژگی‌های انتقال اسپینی این مواد صورت گرفته است.

تزریق الکتریکی

قبل از آن‌که بدانیم یک جریان اسپینی چقدر مسیر طی می‌کند بایستی این جریان را به داخل یک نیم‌رسانا تزریق کنیم؛ کاری که انجام آن آسان نیست. یک فناوری این است که نور قطبیده‌ی دایروی را بر روی نیم‌رسانا بتابانیم. این کار باعث می‌شود اسپین الکترون‌های رسانشی قطبیده شوند. با این وجود این فناوری نیازمند یک منبع نوری است و بنابراین برای مینیاتوری‌کردن و تولید انبوه قطعات اسپین‌ترونیک خیلی هم عملی بنظر نمی‌رسد. راه دیگر قرار دادن یک فرومغناطیس در مجاورت نیم‌رساناست تا یک جریان اسپینی بتواند به بیرون از آهنربا رانده شده و به داخل نیم‌رسانا نفوذ کند. هرچند این «تزریق الکتریکی» ایده‌ی بسیار خوبی بدست می‌دهد اما در عمل اندرکنش‌های اسپین-مدار و سایر اندرکنش‌ها در ناحیه‌ی بین‌سطحی مابین دو ماده باعث درهم‌ریختگی اغلب اسپین‌ها قبل از آن می‌شود که به داخل نیم‌رسانا نفوذ کنند.

چندین مطالعه پیشنهاد می‌دهد که تزریق الکتریکی در مورد ژرمانیوم بایستی در دمای اتاق ممکن باشد. با این حال این اندازه‌گیری‌ها (به دلیل دشواری آزمایش‌ها) قطعی نیستند. اکنون سرگی دوشنکو (Sergei Dushenko) از دانشگاه اوساکا٬ ماساشی شیراشی (Masashi Shiraishi) از دانشگاه کیوتو و همکارانش از تکنیک «پمپ اسپینیِ» میکروویو برای تزریق یک جریان اسپینی به داخل ژرمانیوم استفاده کرده‌اند.

آزمایش آن‌ها شامل یک قطعه‌ی صاف از ژرمانیوم n-آلاییده است با قطعه‌ای از آلیاژ  فرومغناطس از جنس آهن/نیکل در یک طرف و قطعه‌ای از فلز غیرمغناطیسی در طرف دیگر. یک میدان مغناطیسی خارجی بکار می‌رود تا اسپین‌ها را در آلیاژ در یک جهت خاص قرار دهد. سپس تابش میکروویو بر روی آلیاژ تابانده شده و باعث می‌شود اسپین‌های آن در جهت میدان مغناطیسی بچرخند. این کار جریانی از اسپین‌ها را به داخل ژرمانیوم پمپاژ می‌کند و در یک فاصله‌ی کوتاه به داخل فلز جریان می‌یابد. وقتی جریان اسپینی وارد فلز می‌شود با یک اندرکنش اسپین-مدار قوی روبرو می‌شود که باعث ایجاد ولتاژی در طول فلز می‌شود- پدیده‌ای که «اثر هال اسپینی معکوس» نامیده می‌شود. پس از آن این ولتاژ آشکارسازی شده و به اندازه‌ی جریان اسپینی ارتباط می‌یابد.

نظریه‌ی پشتیبان

این تیم پژوهشی با استفاده از این اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که جریان اسپینی حدود ۶۶۰ نانومتر قبل از آن‌که فرسایش عمده‌ای را تجربه کند٬ طی مسیر می‌کند. این کار در دمای اتاق (۲۹۰ کلوین) انجام یافته و زمانی که ژرمانیوم تا ۱۳۰  کلوین سرد شده بود جریان اسپینی می‌تواند تا دوبرابر این مقدار هم طی کند. این نتایج با یک نظریه‌ی جدید از انتقال اسپینی پشتیبانی می‌شود که سال گذشته توسط یانگ سونگ (Yang Song,)٬ اولگ چالو (Oleg Chalaev ) و هانان دری (Hanan Dery) از دانشگاه روچستر انگلستان پیشنهاد شده بود.

هرچند شاید بنظر برسد ۶۶۰ نانومتر فاصله‌ی خیلی زیادی نیست اما این مسافت بسیار بیشتر از اندازه‌ی مشخصه‌ای است که در یک مدار جمعیِ مدرن وجود دارد. در اصل نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که اسپین‌ها قادرند از یک قطعه‌ی اسپین‌ترونیک به قطعه‌ی دیگر بدون افت و فرسایش حرکت کنند. بعلاوه این فاصله با دیگر موادی که کاندیدای مدارهای اسپین‌ترونیک هستند همتراز بوده و ابزار جدیدی را در اختیار دانش‌مندان برای ساخت قطعات اسپین‌ترونیک قرار می‌دهد.   

درباره‌ی نویسنده:

هامیش جانستون (Hamish Johnston) ویراستار physicsworld.com  است.

منبع:

Spin currents endure at room temperature in germanium