Các nhà vật lí ở Canada và Đức vừa phát minh ra một phương pháp mới làm thay đổi hướng của spin electron bằng cách cho nảy phản xạ chúng theo một rãnh bán dẫn nhỏ xíu. Không giống như những cơ cấu khác làm đảo hướng spin trong một chất bán dẫn, phương pháp mới không cần áp đặt điện trường hay từ trường biến thiên. Kết quả là nó sẽ dễ thao tác hơn trong các linh kiện “công nghệ spin” trong tương lai.
Giản đồ biểu diễn cách thức các electron phản xạ dọc theo một rãnh bán dẫn làm cho spin của chúng bị đảo hướng (Ảnh: Nature).
Spin electron có thể nhận hai giá trị - “spin up” hoặc “spin down” – và một số nhà vật lí tin rằng tính chất này có thể sử dụng được trong các mạch điện công nghệ spin xử lí thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn các chip máy tính ngày nay. Nhưng trước khi điều này có thể xảy ra, các nhà nghiên cứu phải chỉ ra được một phương thức đơn giản và xác thực làm đảo hướng spin có thể thao tác trong các con chip nhỏ xíu sản xuất hàng loạt.
Phương pháp mới được sáng tạo bởi Joshua Folk và các cộng sự tại trường Đại học British Columbia và Đại học Regenburg. Nó hoạt động bằng cách bơm các electron vào một cái rãnh gallium arsenide rộng khoảng 1 μm và dài 100 μm. Các electron di chuyển dễ dàng qua rãnh nhưng bị bật khỏi các thành của rãnh – cho nên các electron bơm vào xiên góc với hướng của rãnh sẽ phản xạ tới lui khi chúng truyền qua (xem hình).
Mômen quay biến thiên
Đội nghiên cứu đã sử dụng một mẩu bán dẫn nhỏ xíu gọi là một tiếp xúc điểm lượng tử (QPC) để đưa toàn bộ spin electron hướng theo cùng một chiều. Khi một electron phản xạ khỏi một thành rãnh, spin của nó chịu một mômen quay do một hiệu ứng gọi là ghép cặp spin-quỹ đạo (SO) – và khi nó phản xạ khỏi thành đối diện, nó sẽ chịu một mômen quay theo một hướng khác. Mômen quay thay đổi này có tần số được xác định bởi tốc độ electron bơm vào, góc bơm vào của chúng và bề rộng của rãnh.
Một từ trường ổn định được thiết đặt giữa hai bên rãnh, làm cho spin electron chao đảo giống như con quay xoay tròn xung quanh hướng của từ trường. Đội nghiên cứu nhận thấy khi tần số của mômen quay biến thiên và sự chao đảo đó đúng bằng nhau, thì spin bị lật hướng.
Đội nghiên cứu đặt tên cho hiệu ứng này là “cộng hưởng spin đạn pháo” vì các electron di chuyển qua rãnh giống như những viên đạn – và vì hiệu ứng đó giống như hiệu ứng cộng hưởng spin electron, trong đó mômen quay biến thiên do một từ trường biến thiên mang lại.
Tuy nhiên, có một vài thiếu sót cần được khắc phục trước khi sự cộng hưởng spin đạn pháo có thể được sử dụng trong các dụng cụ thực tế.
Các tạp chất là một vấn đề
Một trở ngại là các electron có thể tán xạ khỏi các tạp chất trong rãnh mang lại các mômen quay ngẫu nhiên khác. Kết quả là quá trình đảo spin không còn mang tính kết hợp và spin electron không còn theo một định hướng đặc biệt nữa.
Một khó khăn nữa là các electron được bơm vào ở nhiều góc tới khác nhau, nghĩa là không phải tất cả các spin đều chịu tần số mômen quay biến thiên như nhau.
Những trở ngại này có thể khắc phục bằng cách sử dụng các chất bán dẫn với ít tạp chất hơn, và bằng cách làm chuẩn trực các electron bơm vào, theo lời các nhà nghiên cứu.
Các kết quả đã được công bố trên tập san Nature.
Theo Thư Viện Vật Lý
Giản đồ biểu diễn cách thức các electron phản xạ dọc theo một rãnh bán dẫn làm cho spin của chúng bị đảo hướng (Ảnh: Nature).
Spin electron có thể nhận hai giá trị - “spin up” hoặc “spin down” – và một số nhà vật lí tin rằng tính chất này có thể sử dụng được trong các mạch điện công nghệ spin xử lí thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn các chip máy tính ngày nay. Nhưng trước khi điều này có thể xảy ra, các nhà nghiên cứu phải chỉ ra được một phương thức đơn giản và xác thực làm đảo hướng spin có thể thao tác trong các con chip nhỏ xíu sản xuất hàng loạt.
Phương pháp mới được sáng tạo bởi Joshua Folk và các cộng sự tại trường Đại học British Columbia và Đại học Regenburg. Nó hoạt động bằng cách bơm các electron vào một cái rãnh gallium arsenide rộng khoảng 1 μm và dài 100 μm. Các electron di chuyển dễ dàng qua rãnh nhưng bị bật khỏi các thành của rãnh – cho nên các electron bơm vào xiên góc với hướng của rãnh sẽ phản xạ tới lui khi chúng truyền qua (xem hình).
Mômen quay biến thiên
Đội nghiên cứu đã sử dụng một mẩu bán dẫn nhỏ xíu gọi là một tiếp xúc điểm lượng tử (QPC) để đưa toàn bộ spin electron hướng theo cùng một chiều. Khi một electron phản xạ khỏi một thành rãnh, spin của nó chịu một mômen quay do một hiệu ứng gọi là ghép cặp spin-quỹ đạo (SO) – và khi nó phản xạ khỏi thành đối diện, nó sẽ chịu một mômen quay theo một hướng khác. Mômen quay thay đổi này có tần số được xác định bởi tốc độ electron bơm vào, góc bơm vào của chúng và bề rộng của rãnh.
Một từ trường ổn định được thiết đặt giữa hai bên rãnh, làm cho spin electron chao đảo giống như con quay xoay tròn xung quanh hướng của từ trường. Đội nghiên cứu nhận thấy khi tần số của mômen quay biến thiên và sự chao đảo đó đúng bằng nhau, thì spin bị lật hướng.
Đội nghiên cứu đặt tên cho hiệu ứng này là “cộng hưởng spin đạn pháo” vì các electron di chuyển qua rãnh giống như những viên đạn – và vì hiệu ứng đó giống như hiệu ứng cộng hưởng spin electron, trong đó mômen quay biến thiên do một từ trường biến thiên mang lại.
Tuy nhiên, có một vài thiếu sót cần được khắc phục trước khi sự cộng hưởng spin đạn pháo có thể được sử dụng trong các dụng cụ thực tế.
Các tạp chất là một vấn đề
Một trở ngại là các electron có thể tán xạ khỏi các tạp chất trong rãnh mang lại các mômen quay ngẫu nhiên khác. Kết quả là quá trình đảo spin không còn mang tính kết hợp và spin electron không còn theo một định hướng đặc biệt nữa.
Một khó khăn nữa là các electron được bơm vào ở nhiều góc tới khác nhau, nghĩa là không phải tất cả các spin đều chịu tần số mômen quay biến thiên như nhau.
Những trở ngại này có thể khắc phục bằng cách sử dụng các chất bán dẫn với ít tạp chất hơn, và bằng cách làm chuẩn trực các electron bơm vào, theo lời các nhà nghiên cứu.
Các kết quả đã được công bố trên tập san Nature.
Theo Thư Viện Vật Lý
