Исследование, опубликованное в пятничном выпуске журнала Science, приближает физику к практическим машинам, которые работают как в спинтронном, так и в электронном виде: сверхбыстрые квантовые компьютеры, более компактные устройства хранения данных и пластиковые или органические светоизлучающие диоды. или OLED, более эффективные, чем те, которые используются сегодня в экранах для мобильных телефонов, компьютеров и телевизоров.«Мы показали, что можем использовать пластиковые электронные устройства при комнатной температуре, которые позволяют нам видеть ориентацию мельчайших магнитов в природе — спины мельчайших атомных ядер», — говорит профессор физики Кристоф Бёме, один из основных авторов исследования. . «Это шаг, который может привести к новым способам хранения информации, создания более качественных дисплеев и более быстрых компьютеров».Эксперимент представляет собой гораздо более практическую версию исследования, опубликованного Беме и его коллегами в Science в 2010 году, когда они смогли считывать ядерные спины атомов фосфора в обычном кремниевом полупроводнике. Но они смогли сделать это только тогда, когда устройство было охлаждено до минус 453,9 градусов по Фаренгейту (почти абсолютный ноль), подверглось бомбардировке интенсивными микроволнами и воздействию сверхсильных магнитных полей.
В новых экспериментах физики смогли прочитать ядерные спины двух изотопов водорода: одного протона и дейтерия, который является протоном, нейтроном и электроном. Изотопы были встроены в недорогой пластиковый полимер или органический полупроводник под названием MEH-PPV, OLED, который светится оранжевым светом при протекании тока.Исследователи перевернули спины ядер водорода, чтобы контролировать электрический ток, протекающий через OLED, делая ток сильнее или слабее.
По словам Беме, они делали это при комнатной температуре, без мощной световой бомбардировки или магнитных полей — другими словами, при нормальных условиях эксплуатации большинства электронных устройств.«Этот эксперимент примечателен тем, что магнитные силы, создаваемые ядрами, в миллионы раз меньше, чем электростатические силы, которые обычно вызывают токи», но они смогли управлять токами, — говорит он.
Использование ядерных спинов может повысить эффективность «электронных материалов, из которых сделано так много технологий», — добавляет Беме. «Это также поднимает вопрос, можно ли использовать этот эффект для технологических приложений, таких как компьютерные чипы, которые используют ядерные спины в качестве памяти и наш метод как способ считывания спинов».Министерство энергетики США профинансировало новое исследование, а физики использовали помещения Научно-технического центра материаловедения Университета Юты, финансируемого Национальным научным фондом.Беме проводил исследование с коллегами-физиками из Университета Юты: первым автором и докторантом Хансом Малиссой; профессор-исследователь и соавтор Джон Луптон, который также является преподавателем Университета Регенсбурга, Германия; заслуженный профессор З. Валлий Вардени; профессор Брайан Саам; аспиранты Марзи Каванд и Дэвид Уотерс; и научный сотрудник Кипп ван Скутен. Еще одним соавтором был Пол Берн из Австралийского университета Квинсленда.
Спинтроника: хранение данных в атомных ядрахЭлектронные устройства используют электрический ток или электроны, которые представляют собой отрицательно заряженные частицы, вращающиеся вокруг ядер или центров атомов.
Современные компьютеры хранят данные в электронном виде: данные хранятся в виде двоичных «битов», в которых ноль представлен как «выключен» или отсутствует электрический заряд, а один представлен «включенным» или наличием электрического заряда.В спинтронике данные хранятся спинами электронов или, предпочтительно, атомных ядер. Вращение часто сравнивают с крошечным стержневым магнитом, например стрелкой компаса, направленной вверх или вниз — представляющей единицу или ноль — в электроне или ядре атома.
Ориентации ядерных спинов живут дольше, поэтому лучше подходят для хранения данных.Исследование 2010 года, проведенное Беме и его коллегами, показало, что ядерные спины фосфора в кремниевом полупроводнике могут управлять электрическим током, но при непрактично низких температурах и сильных магнитных полях.
Им пришлось использовать магнитные поля, чтобы выровнять спины электронов фосфора в одном направлении, а затем использовать интенсивный свет, чтобы передать такое же выравнивание спинам ядер фосфора. Затем они бомбардировали полупроводник радиоволнами, чтобы обратить ядерные спины и контролировать ток.Беме говорит, что ученые ранее заявляли, что ток в пластиковых полупроводниках, формально известных как пи-сопряженные полимеры, можно контролировать с помощью ядерных спинов в водороде. Он добавляет, что до нового исследования «никто никогда не демонстрировал это напрямую» при комнатной температуре путем поворота ядерных спинов для изменения электрического тока.
Новое исследованиеВ новых экспериментах физики использовали магнитный резонанс для обращения ядерных спинов в изотопах водорода, встроенных в OLED, а затем смогли обнаружить, как обращенные спины вызывали изменение электрического тока через OLED.
По словам Беме, в первых двух экспериментах физики заставляли ядерные спины в протоне и дейтерии колебаться характерным образом и могли считывать соответствующие колебания в результирующем электрическом токе. В третьем эксперименте они переворачивали вращения назад и вперед с нужной скоростью, а не с характерными частотами.«Это сработало», — говорит Беме. «Это показывает, что вы можете повернуть ядерное вращение, когда захотите, и только тогда будет вращаться ток.
Мы можем управлять током, контролируя ядерные спины».Исследователи измерили текущее изменение напрямую, но не привели к изменениям светоотдачи OLED — изменения настолько малы, что их невозможно обнаружить невооруженным глазом.И в 2010 году, и в новых исследованиях физики считывали не спины отдельных ядер, а коллективные спины более 1 миллиона ядер одновременно. Конечная цель — научиться считывать спины ядер по отдельности.
«Если вы хотите хранить информацию, самая высокая плотность хранения будет для хранения информации в виде одиночных ядерных спинов», — говорит Беме. Со времени исследования 2010 года другие физики достигли этого в ядрах фосфора, добавляет он.Преимущества спинтроники
Храня информацию с использованием как спинов, так и электрического заряда, устройства спинтроники должны иметь большую емкость и быстрее обрабатывать данные — хотя исследователям еще предстоит много лет, чтобы выяснить, как соединить и обработать хранимую спинтронами информацию в футуристических компьютерах, обычных и квантовых.«Мы не знаем, пять лет, 50 лет или никогда», — говорит Беме.Тем не менее, он говорит, что спинтроника уже привела к появлению современных компьютерных жестких дисков размером в терабайт, в которых используются спинтронные «считывающие головки», настолько маленькие, что данные могут храниться более плотно.В 2012 году Беме и его коллеги показали, что тот же самый спинтронный OLED-экран в новом исследовании работает как «дешевый» датчик магнитного поля при комнатной температуре без ухудшения характеристик.
По его словам, такие датчики могут позволить более точные навигационные системы космических кораблей.Поскольку электрический ток, управляемый ядерным вращением, регулирует световой поток OLED, он дает возможность изучить, как сделать OLED более эффективными.
OLED-светодиоды преобразуют в свет гораздо больше электричества, чем лампы накаливания, которые превращают большую часть поступающей электроэнергии в тепло. Но есть гораздо больше возможностей для повышения эффективности.
«Надеюсь, OLED-светодиоды станут лучше — потребляют меньше электроэнергии и производят больше света — потому что здесь мы узнали, как ориентация ядерных спинов влияет на то, насколько хорошо работает OLED», — говорит Беме. «Любое ограничение эффективности можно преодолеть только в том случае, если будет понят механизм, который налагает это ограничение».