สนามไฟฟ้าควบคุมอุปกรณ์สปินทรอนิกส์

เทคนิคใหม่ที่ใช้พลังงานต่ำในการตรวจจับการหมุนของอิเล็กตรอนในระบบที่ไม่ใช่แม่เหล็กสามารถช่วยในการพัฒนาอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ที่ทำงานโดยใช้เฟอร์โรอิเล็กทริกมากกว่าเฟอร์โรแมกเนติก ในที่สุด อุปกรณ์ดังกล่าวอาจก่อตัวเป็นแกนหลักของโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและใช้พลังงานต่ำเจเนอเรชันใหม่ ดังนั้นจึงช่วยรักษาความก้าวหน้าในการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง

เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษ ที่พลังประมวลผล

ได้เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็ว ๆ นี้ การเติบโตของ “กฎของมัวร์” ซึ่งตั้งชื่อตามกอร์ดอน มัวร์ ผู้ร่วมก่อตั้งของอินเทล ซึ่งทำนายในปี 2508 ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์ต่อตารางนิ้วบนวงจรรวมจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปีเป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษ การทำทรานซิสเตอร์แบบธรรมดาให้มีขนาดเล็กลงกลายเป็นเรื่องยากขึ้นเรื่อยๆ นักวิจัยจึงมองหาวิธีที่จะปล่อยให้พลังการประมวลผลเติบโตต่อไป แม้ว่าการปรับขนาดตามขนาดแบบเดิมจะดำเนินไปตามขีดจำกัดพื้นฐาน

ในบรรดาโซลูชันต่างๆ ที่กำลังตรวจสอบอยู่คือโซลูชันที่พยายามลดการใช้พลังงานในทรานซิสเตอร์แบบ field-effect (FET) ซึ่งเป็นพื้นฐานของชิปคอมพิวเตอร์ซิลิกอนสมัยใหม่ วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์แบบเดิมด้วยเวอร์ชันทางเลือกที่ไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาสถานะเปิดหรือปิด

วงจร Spintronics มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

เทคโนโลยี Spintronics ซึ่งใช้การหมุนควอนตัมของอิเล็กตรอน (หรือโมเมนตัมเชิงมุมที่แท้จริง) แทนการเก็บประจุและประมวลผลข้อมูล อาจเป็นวิธีที่จะบรรลุเป้าหมายนี้ได้ เนื่องจากสปินอิเล็กทรอนิกส์สามารถชี้ “ขึ้น” หรือ “ลง” ได้ จึงสามารถใช้คุณสมบัติไบนารีนี้เพื่อดำเนินการทางตรรกะในวงจรสปินโทรนิกในลักษณะเดียวกับที่ใช้ประจุไฟฟ้าในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือเมื่อการหมุนของอิเล็กตรอนเปลี่ยนทิศทาง สถานะใหม่ของอิเล็กตรอนจะถูกเก็บไว้อย่างถาวร (กล่าวคือ “ไม่ระเหย”) ดังนั้นวงจรสปินทรอนิกส์จึงไม่ต้องการกำลังอินพุตเพิ่มเติมเพื่อให้สถานะของมันคงที่

อย่างไรก็ตาม วงจร Spintronic มีข้อเสียเปรียบที่สำคัญสำหรับผู้ให้การสนับสนุนด้านประสิทธิภาพ ใน spintronics ข้อมูลจะถูกส่งหรือจัดการผ่านกระแสหมุน ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม กระแสเหล่านี้มักถูกสร้างขึ้นโดยใช้วัสดุที่เป็นแม่เหล็ก นั่นเป็นปัญหา เพราะไม่สามารถเปลี่ยนการทำให้เป็นแม่เหล็กของวัสดุดังกล่าวได้ เว้นแต่โดยการใช้สนามแม่เหล็กหรือกระแสที่แรงมาก ดังนั้นในอุปกรณ์ที่สามารถสับเปลี่ยนได้ในทางปฏิบัติใดๆ ความได้เปรียบด้านพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บแบบไม่ลบเลือนจะหายไปอย่างรวดเร็ว

วิธีใหม่ในการควบคุมการหมุนนักวิจัยจากSpintec Laboratory (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes) และCNRS/Thales Laboratory ที่  นำโดยJean-Philippe AttanéและManuel Bibesได้พัฒนาวิธีการควบคุมกระแสหมุนใหม่ที่ใช้พลังงานต่ำ วิธีการของพวกเขาใช้ชั้นอิเลคตรอนบางเฉียบซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อทางเทคนิคว่าเป็นก๊าซอิเล็กตรอนแบบสองมิติ (2D) ซึ่งพัฒนาขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างสตรอนเทียมไททาเนต (ฉนวนไฟฟ้าในสถานะบริสุทธิ์) กับชั้นอะลูมิเนียม

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการฉีดกระแสหมุนจากโลหะผสมนิกเกิล

เหล็กที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกเข้าไปในสตรอนเทียมไททาเนต (SrTiO 3 ) เมื่ออิเล็กตรอนถูกกักขังอยู่ในแก๊สอิเล็กตรอน 2 มิติ สปินของพวกมันจะจับคู่กับโมเมนตัมอันเนื่องมาจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปฏิสัมพันธ์ของสปิน-ออร์บิท Attanéและ Bibes อธิบายว่า “ผลกระทบนี้แปลงกระแสหมุนเป็นกระแสประจุแบบธรรมดา ซึ่งช่วยให้เราตรวจจับการหมุนที่ฉีดได้”

สปินที่ยอดเยี่ยมในซูเปอร์คอมพิวเตอร์SrTiO 3มีลักษณะเหมือนวัสดุที่เป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก ถัดไป ทีมงานใช้แรงดันไฟฟ้าผ่านฉนวน SrTiO 3ใต้แก๊สอิเล็กตรอนเพื่อปรับ coupling ของวงโคจรและทิศทางของกระแสประจุ ณ จุดนี้ พวกเขาค้นพบว่าฉนวน SrTiO 3นั้นมีพฤติกรรมเหมือนวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริก นั่นคือ มันมีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าถาวร เช่นเดียวกับวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกมีโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กถาวร นี่เป็นประโยชน์ที่สำคัญ เนื่องจากโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าสามารถกำหนดทิศทางได้โดยใช้สนามไฟฟ้า ซึ่งควบคุมได้ง่ายกว่าสนามแม่เหล็กที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนการทำให้เป็นแม่เหล็กของวัสดุที่เป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก

Attané และ Bibes และเพื่อนร่วมงานของพวกเขายังยืนยันด้วยว่าทิศทางของโพลาไรซ์ไฟฟ้าโดยรวมของ SrTiO 3ขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ โพลาไรซ์ทางไฟฟ้านี้ยังคงอยู่แม้ในขณะที่สนามไฟฟ้าปิดอยู่ หมายความว่าพวกมันสามารถควบคุมคัปปลิ้งของวงโคจรอย่างถาวร และด้วยเหตุนี้ทิศทางของกระแสประจุที่เกิดจากกระแสสปิน

นักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกาได้คิดค้นวิธีทำให้โฟตอนขับไล่กันและกันโดยส่งพวกมันผ่านก๊าซอะตอมมิกที่เย็นจัด ความสำเร็จที่น่าอัศจรรย์นี้อาจนำไปสู่การสร้าง “ผลึกโฟตอน” และสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ เช่น ฉนวน Mott

โฟตอนมีมวลพักเป็นศูนย์และมีประจุเป็นศูนย์ และเมื่อพวกมันเคลื่อนตัวผ่านกันด้วยความเร็วแสง พวกมันแทบจะไม่รู้สึกถึงผลกระทบของกันและกัน อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ได้คิดค้นวิธีการต่างๆ เพื่อขยายปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนและโฟตอนเล็กๆ นี้

ในปี 2013 ทีมงานที่นำโดยVladan Vuletićจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และMikhail Lukinจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้สร้างปฏิสัมพันธ์ที่น่าดึงดูดใจโดยการยิงโฟตอนลงในก๊าซอะตอมที่เย็นจัด ทำให้อะตอมบางส่วนกลายเป็น “สถานะ Rydberg” ที่มีพลัง ขณะเดินทางผ่านก๊าซ โฟตอนมักจะเกาะติดกันบ่อยกว่าที่ไม่มีก๊าซอยู่ตรงนั้น

Credit : galleryworld.net garybaughman.net genericcanadatadalafil.net globalfreeenergy.info grantstreetgallery.net