В эксперименте электроны не проходили через алмаз, как в традиционной электронике; скорее, они оставались на месте и передавали друг другу по проводам магнитный эффект, называемый «вращением», — как ряд спортивных зрителей, делающих «волну».Когда-нибудь спин можно будет использовать для передачи данных в компьютерные схемы — и этот новый эксперимент, проведенный в Университете штата Огайо, показал, что алмаз передает вращение лучше, чем большинство металлов, в которых исследователи ранее наблюдали этот эффект.
Исследователи во всем мире работают над разработкой так называемой «спинтроники», которая могла бы сделать компьютеры одновременно более быстрыми и мощными.Когда дело доходит до спинтроники, у Diamond есть все, что нужно, — сказал ведущий исследователь Крис Хаммел, выдающийся ученый в области экспериментальной физики в штате Огайо. Он твердый, прозрачный, электрически изолирующий, непроницаемый для загрязнений окружающей среды, устойчивый к кислотам и не удерживающий тепло, как полупроводники.«По сути, он инертен.
Вы ничего не можете с этим поделать. Для ученого алмазы — это скучно, если только вы не помолвитесь», — сказал Хаммел. «Но интересно подумать о том, как алмаз будет работать в компьютере».Хаммель подтвердил, что цена на алмазный канат не достигла размеров обручального кольца.
Он стоил всего 100 долларов, так как был сделан из синтетического, а не природного алмаза.Полученные здесь результаты представляют собой первый очень маленький шаг на очень долгом пути, который однажды может привести к алмазным транзисторам.
Но помимо этого, это открытие может изменить то, как исследователи изучают вращение, сказал Хаммел.Находка опубликована в номере журнала Nature Nanotechnology от 23 марта.
Электроны достигают разных спиновых состояний в зависимости от направления их вращения — вверх или вниз. Команда Хаммела поместила крошечную алмазную проволоку в силовой магнитно-резонансный микроскоп и обнаружила, что спиновые состояния внутри проволоки меняются в соответствии с закономерностью.
«Если бы этот провод был частью компьютера, он передавал бы информацию. Нет никаких сомнений в том, что вы могли бы сказать на дальнем конце провода, какое состояние вращения исходной частицы было в начале», — сказал он.Обычно алмаз вообще не может нести спин, потому что его атомы углерода связаны вместе, и каждый электрон прочно прикреплен к соседнему электрону. Исследователям пришлось засеять проволоку атомами азота, чтобы в ней могли вращаться неспаренные электроны.
Проволока содержала только один атом азота на каждые три миллиона атомов алмаза, но этого было достаточно, чтобы проволока могла нести вращение.Эксперимент сработал, потому что физики из штата Огайо смогли наблюдать спин электрона в меньшем масштабе, чем когда-либо прежде.
Они сфокусировали магнитное поле в своем микроскопе на отдельных участках проволоки и обнаружили, что могут обнаруживать, когда вращение проходит через эти участки.Длина провода составляла всего четыре микрометра, а ширина — 200 нанометров. Чтобы заглянуть внутрь, они включили и выключили магнитную катушку микроскопа в течение крошечных долей секунды, генерируя импульсы, которые создавали снимки поведения электронов шириной 15 нанометров (около 50 атомов). Они знали, что вращение проходит через алмаз, когда магнит на тонком кантилевере перемещает незначительные количества, поскольку он поочередно притягивается или отталкивается атомами в проволоке, в зависимости от их спинового состояния.
Еще более удивительным было то, что спиновые состояния длились около конца проволоки вдвое дольше, чем в середине. Основываясь на обычных экспериментах, физики ожидали, что спиновые состояния сохранятся в течение одного и того же промежутка времени, независимо от того, где было произведено измерение. В этом случае состояния спина внутри провода длились около 15 миллисекунд, а ближе к концу они длились 30 миллисекунд.Команда Хаммела подозревает, что они смогли увидеть этот новый эффект отчасти из-за того, насколько близко они смогли приблизить провод.
Когда они сфокусировали свое крохотное окошко наблюдения на кончике проволоки, они стали свидетелями вращения, которое текло в единственном направлении, в котором оно могло течь: в проволоку. Когда они перемещались вдоль проволоки, чтобы наблюдать за ее серединой, «окно» опорожнялось от вращения в два раза быстрее, потому что состояния вращения могли течь в обоих направлениях — внутрь и наружу.«Это колоссальный эффект, которого мы не ожидали», — сказал Хаммел.По словам Хаммела, это открытие ставит под сомнение то, как исследователи изучали спин на протяжении последних 70 лет.
«Тот факт, что спины могут двигаться таким образом, означает, что традиционный способ, которым мир измеряет динамику спинов на макроскопическом уровне, должен быть пересмотрен — на самом деле это неверно», — добавил он.Обычные эксперименты не имеют хорошего разрешения, чтобы заглянуть внутрь таких маленьких объектов, как провод, использованный в этом исследовании, и поэтому можно смотреть только на такие объекты в целом.
В этих условиях исследователи могут определить только среднее состояние спина: сколько электронов в образце направлено вверх, а сколько — вниз. Исследователи не заметили бы разницы, если бы несколько электронов в одной части образца перевернулись снизу вверх, а другая часть — сверху вниз, потому что среднее количество спинов останется прежним.
«Это не тот средний показатель, который нам нужен», — сказал Хаммел. «Мы хотим знать, насколько различаются спины и каково время жизни каждого конкретного состояния спина».Это разница между знанием того, что в среднем четверть всех зрителей на стадионе стоят в любой момент времени, и знанием того, что отдельные люди стоят и сидят по схеме, рассчитанной по времени, чтобы сформировать «волну».Никто раньше не мог видеть спины в алмазе, но этот эксперимент доказал, что алмаз может организованно переносить вращение, сохраняя состояние спина — и, таким образом, сохраняя информацию.Физикам пришлось охладить провод до 4,2 Кельвина (около -452 градуса по Фаренгейту или -269 градусов по Цельсию), чтобы замедлить вращение и успокоить чувствительный детектор, достаточный для того, чтобы эти несколько вращений можно было обнаружить.
Чтобы использовать этот эффект при комнатной температуре, необходимо было бы многое сделать.Соавторами статьи были докторанты Джереми Карделлино, Николас Скоццаро, Эндрю Дж. Бергер и Чи Чжан; бывший докторант Майкл Херман (ныне в Университете Джона Хопкинса); бывший постдокторант Кин Чунг Фонг (ныне в Калифорнийском технологическом институте), Сириям Джаяпракаш, профессор физики; и Денис В. Пелехов, директор лаборатории наносистем штата Огайо.
Хаммел руководит университетским центром новых материалов, научно-техническим центром материаловедения, финансируемым Национальным научным фондом.Эта работа финансировалась Управлением исследований армии, Национальным научным фондом, Центром новых материалов и лабораторией наносистем.