Spintronics

Άρθρο από το Scientific American των David D. Awschalom, Michael E. Flattι και Nitin Samarth. Ιούνιος  2002 

Μικροηλεκτρονικές συσκευές που λειτουργούν με τη χρήση των spin των ηλεκτρονίων αποτελούν μια εξελισσόμενη βιομηχανία πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων, η οποία μπορεί να οδηγήσει στα κβαντικά μικροτσίπ

 
Τα κβαντικά σπιν των ηλεκτρονίων
 προσφέρουν σημαντική χρησιμότητα
 καθώς διατρέχουν τα ηλεκτρονικά μικροτσίπς.

Καθώς η ραγδαία πρόοδος στη σμίκρυνση των ημιαγωγών οδηγεί προς μεγέθη των τσιπς μικρότερα από 100 νανόμετρα, οι μηχανικοί και οι φυσικοί βρίσκονται αντιμέτωποι με την παρουσία της κβαντομηχανικής, η οποία στην κλίμακα αυτή αναδεικνύει την κυματική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων ως κυρίαρχη της σωματιδιακής συμπεριφοράς. Οι πραγματιστές στον κόσμο της βιομηχανίας των ηλεκτρονικών, έχουν καταπιαστεί με τον επανασχεδιασμό των τσιπς, ώστε να ξεπεράσουν τους κβαντομηχανικούς φραγμούς, αλλά πάντα σύμφωνα με τον κλασσικό τρόπο σχεδίασης. Κάποιοι άλλοι όμως πιστεύουν ότι τώρα προσφέρεται μια μοναδική ευκαιρία να δημιουργήσουμε μια νέα κατηγορία συσκευών, η οποία θα εκμεταλλευθεί την ιδιοσυγκρασία του κβαντικού κόσμου και θα εξασφαλίσει μοναδικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες.  

Μια τέτοια ιδιόμορφη ιδιότητα της κβαντικής όψης του ηλεκτρονίου είναι το σπιν, το οποίο σχετίζεται στενά με τις μαγνητικές ιδιότητες. Οι συσκευές που στηρίζονται στις ιδιότητες του σπιν για να λειτουργήσουν αποτελούν τον κλάδο των σπιντρονικών συσκευών από την σύντμηση των Αγγλικών λέξεων spin και electronics.Ο κλάδος αυτός είναι επίσης γνωστός και ως μαγνητοηλεκτρονικές συσκευές. Η επεξεργασία της πληροφορίας έχει ως τώρα στηριχτεί σε συσκευές που εκμεταλλεύονται το φορτίο του ηλεκτρονίου, είτε με τη μορφή της απηρχαιομένης πια λυχνίας κενού είτε με τη μορφή των σύγχρονων μικροτσίπ των πολλών εκατομμυρίων τρανζίστορ. Όλες αυτές οι κλασσικού τύπου συσκευές κινούν τα φορτία των ηλεκτρονίων αγνοώντας το σπιν που φέρει κάθε ηλεκτρόνιο.

Νέος νόμος του Ohm

Υπάρχει όμως μεγάλο κέρδος από την εφαρμογή των spintronics, και ο λόγος είναι ο εξής: Η σημερινή ηλεκτρονική βασίζεται στην  εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης σε διάφορα υλικά που καταλήγει στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Αναπόφευκτα όμως παράγεται και θερμότητα λόγω της αντίστασης που συναντούν τα ηλεκτρόνια στο ταξίδι τους. Αντίθετα, σε ένα νέο νόμο που διατύπωσαν οι ερευνητές Shoucheng Zhang και Naoto Nagaosa των Πανεπιστημίων Στάνφορντ και Τόκυου, τα ηλεκτρόνια μεταδίδουν τη στροφορμή τους χωρίς απώλεια ενέργειας και παραγωγή θερμότητας.

Για να εξηγήσει το φαινόμενο, ο καθηγητής της φυσικής Shoucheng Zhang υπενθυμίζει ότι ο πλανήτης μας όταν κινείται συμμετέχει σε δύο είδη κίνησης. Την περιφορά της γύρω από τον Ήλιο και την περιστροφή της γύρω από τον εαυτό της - το σπιν της (spin). Τα ηλεκτρόνια έχουν αντίστοιχες ιδιότητες: η ηλεκτρονική εφαρμόζει τάση για να κινήσει το ίδιο το ηλεκτρόνιο, ενώ η νέα τεχνολογία σπιν-ηλεκτρονική χρησιμοποιεί την τάση για να χειρισθεί την ιδιοπεριστροφή του, το σπιν. Η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου υποχρεώνει τα σπιν των ηλεκτρονίων να κινηθούν μαζί σαν ρεύμα.

Οι επιπτώσεις φυσικά αυτής της θεωρητικής ανακάλυψης είναι τεράστιες. Αφενός διότι ως σήμερα δεν είχαμε τίποτε που να μπορεί να μεταδώσει φορτίο χωρίς θερμικές απώλειες, εκτός από τους υπεραγωγούς - που όμως θέλουν πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Αφετέρου, διότι ενώ μέχρι σήμερα αποθηκεύαμε δεδομένα ως φορτίο σε τρανζίστορ, τώρα θα μπορούμε να τα αποθηκεύουμε και ως μαγνητική στροφορμή - άρα έχοντας περισσότερη πληροφορία στον ίδιο χώρο.

Ο τρόπος που καταχωρίζεται η πληροφορία στα τρανζίστορ είναι αν κάπου υπάρχει ή δεν υπάρχει φορτίο - 1 ή 0. Στα μελλοντικά τρανζίστορ της σπιν-ηλεκτρονικής, το ρεύμα θα είναι και μαγνητικά πολωμένο, «πάνω» ή «κάτω».

Η μη απώλεια ενέργειας και η εισβολή του μαγνητισμού στην ηλεκτρονική σημαίνει ότι θα μπορούμε να έχουμε συσκευές που απαιτούν ελάχιστη τάση για να ξεκινήσουν, καθώς επίσης και συσκευές που θα κρατούν στη μνήμη τους τα δεδομένα ακόμη και όταν δεν βρίσκονται υπό τάση.

Πιθανές Λύσεις

Ο μαγνητισμός (και ως εκ τούτου και το σπιν των ηλεκτρονίων) έχει αποδειχτεί σημαντικό για την αποθήκευση της πληροφορίας. Για παράδειγμα, ακόμη και οι πρώτοι οδηγοί των δίσκων στους υπολογιστές, χρησιμοποιούσαν την μαγνητοαντίσταση- την μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης που προκαλείται από ένα μαγνητικό πεδίο - για να διαβάσουν τα δεδομένα που ήταν αποθηκευμένα σε μαγνητικά μέσα. Δεν είναι λοιπόν εκπληκτικό που η βιομηχανία της αποθήκευσης πληροφοριών, μας εξασφάλισε την αρχική επιτυχία στην σπιντρονική τεχνολογία. Οι πιο πολλοί φορητοί υπολογιστές σήμερα εξοπλίζονται με σκληρούς δίσκους μεγάλης χωρητικότητας που αποθηκεύουν μια άνευ προηγουμένου ποσότητα δεδομένων σε κάθε τετραγωνικό χιλιοστό της επιφάνειάς τους. Οι οδηγοί τους στηρίζονται σε ένα σπιντρονικό φαινόμενο, την γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση (GMR), για να διαβάσουν τόσο πυκνά δεδομένα. 

Πιο εξελιγμένες τεχνολογίες αποθήκευσης, βασισμένες στην σπιντρονική, είναι ήδη σε εξελιγμένο στάδιο: Μέσα στα επόμενα χρόνια, η μέθοδος MRAM (Μαγνητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης), ένας νέος τύπος μνήμης για υπολογιστές, θα βγει στην αγορά. Η μνήμη MRAM θα ανακτά την αρχική της κατάσταση ακόμη και αν σταματήσει η ηλεκτρική τροφοδοσία της, αλλά σε αντίθεση με τους σημερινούς τύπους μνήμης, ρυθμούς μεταγωγής και δυνατότητα επανεγγραφής που θα ξεπερνάει τις σημερινές συμβατικές μνήμες RAM. 

Στις σημερινές κεφαλές ανάγνωσης και στις μνήμες MRAM, τα κύρια μέρη τους κατασκευάζονται από σιδηρομαγνητικά μεταλλικά κράμματα. Τέτοιες συσκευές με βάση τα μέταλλα αποτελούν την πρώτη και πιο ώριμη από τις τρεις κατηγορίες των σπιντρονικών συσκευών. Στην δεύτερη κατηγορία, ρεύματα από πολωμένα σπιν ρέουν μέσα σε  ημιαγωγούς αντί μέσα σε μέταλλα. Το να πετύχουμε στην πράξη σπιντρονικές εφαρμογές, θα μας επιτρέψει να έχουμε μια πλούσια γκάμα από ήδη υπάρχουσες μικροηλεκτρονικές συσκευές σε μια εναλλακτική μορφή, και θ' αναπτυχθούν επίσης και άλλες συσκευές που θα εκμεταλλεύονται τις υψηλής ποιότητας οπτικές ιδιότητες των ημιαγωγών και την ικανότητά τους να ενισχύουν τόσο τα οπτικά όσο και τα ηλεκτρικά σήματα. Ως παραδείγματα μπορούν ν' αναφερθούν πολύ γρήγοροι διακόπτες πλήρως προγραμματιζόμενοι σπιντρονικοί μικροεπεξεργαστές. Η νέα αυτή λεωφόρος εφαρμογών περιλαμβάνει μια νέα τάξη πολυλειτουργικών ηλεκτρονικών που συνδυάζουν λογική, αποθήκευση και επικοινωνία σ' ένα μοναδικό τσιπ. 

ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΠΙΝ

Η εικόνα είναι από την: SLIM FILMS

1  Εκτός από τη μάζα τους και το ηλεκτρικό τους φορτίο, τα ηλεκτρόνια διαθέτουν μια εσωτερική γωνιακή στροφορμή που λέγεται σπιν, περίπου σα να ήταν μικρές περιστρεφόμενες σφαίρες. 2   Ένα μαγνητικό πεδίο είναι συσχετισμένο με το σπιν όπως αυτό που θα δημιουργούσε ένας ραβδόμορφος μαγνήτης, αν ήταν ευθυγραμισμένος με τον άξονα του σπιν. 3   Οι επιστήμονες παριστάνουν το σπιν με ένα διάνυσμα. Για μια περιστρεφόμενη σφαίρα "από ανατολή προς δύση" το διάνυσμα αυτό δείχνει "βόρεια", ή "επάνω". Για αντίθετο σπιν δείχνει "κάτω". 4   Μέσα σ' ένα μαγνητικό πεδίο τα ηλεκτρόνια με σπιν "επάνω" και τα ηλεκτρόνια με σπιν "κάτω", έχουν διαφορετικές ενέργειες.  5  Σ' ένα συνηθισμένο ηλεκτρικό κύκλωμα, τα σπιν προσανατολίζονται τυχαία, και δεν έχουν καμιά επίδραση στη ροή του ρεύματος. 6   Οι σπιντρονικές συσκευές δημιουργούν ρεύματα που έχουν πολωμένα σπιν, και χρησιμοποιούν το σπιν για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος.

Οι ερευνητές πρέπει ν' απαντήσουν σε αρκετές σημαντικές ερωτήσεις πριν να μπορέσει η δεύτερη κατηγορία συσκευών ν' αναπτυχθεί σε αυτόνομη βιομηχανία. Είναι δυνατόν να επινοήσουμε οικονομικούς τρόπους για να συνδυάσουμε σιδηρομαγνητικά μέταλλα και ημιαγωγούς σε ολοκληρωμένα κυκλώματα; Μπορούμε να φτιάξουμε ημιαγωγούς που να είναι σιδηρομαγνητικοί στη συνηθισμένη θερμοκρασία δωματίου; Με ποιό αποτελεσματικό τρόπο θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε ρεύματα που να έχουν πολωμένα σπιν (ρεύματα από σπιν) μέσα σ' ένα ημιαγωγό; Τι συμβαίνει στα ρεύματα από σπιν στα όρια μεταξύ διαφορετικών ημιαγωγών; Πόσο χρόνο μπορεί  ένα ρεύμα από σπιν να διατηρήσει την πόλωσή του μέσα σ' ένα ημιαγωγό;  

Οι διάφορες ερευνητικές ομάδες εργάζονται πάνω σ' αυτά τα ερωτήματα, αλλά έχουν στραμμένη την προσοχή τους και σε μια τρίτη κατηγορία συσκευών, απόμακρη προς το παρόν αλλά πολλά υποσχόμενη. Την κατηγορία όπου θα ελέγχουμε τις καταστάσεις σπιν των ξεχωριστών ηλεκτρονίων. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει σπιντρονικές λογικές πύλες, οι οποίες θα επιτρέψουν την κατασκευή μεγάλης κλίμακας κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα υπερέχουν κατά πολύ των σημερινών σε αρκετές εργασίες. Αρκετές εξωτικές τεχνολογίες έχουν επιστρατευθεί προς αυτή την κατεύθυνση, όπως ιόντα σε μαγνητικές παγίδες, "παγωμένο" φως, υπέρψυχρα κβαντικά αέρια που λέγονται συμπυκνώματα  Bose-Einstein, και ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός των μορίων σε υγρά. 

Μια πρόσφατη σειρά από απροσδόκητες ανακαλύψεις φαίνεται να υποστηρίζει ότι οι σπιντρονικές εφαρμογές σε ημιαγωγούς, εξασφαλίζει ένα πραγματοποιήσιμο τρόπο για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών και άλλων κβαντικών υπολογιστικών μηχανών. Είτε προσβλέποντας στο κοντινό μέλλον, είτε στο πιο μακρινό μέλλον των κβαντικών υπολογιστών, οι σπιντρονική υπόσχεται μια νέα επανάσταση.

Η Εκμετάλευση των ρευμάτων των σπιν

Ένας τρόπος να καταλάβουμε πως δουλεύει το σπιν, είναι μέσω της αντίληψης μιας περιστρεφόμενης ηλεκτρισμένης σφαίρας. Τα φορτία της σφαίρας που περιστρέφονται, αντιστοιχούν σε μικροσκοπικά ρεύματα, τα οποία δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο, όμοιο με το μαγνητικό πεδίο της γης. Οι επιστήμονες παριστάνουν την περιστροφή με ένα διάνυσμα, δηλαδή με ένα βέλος που είναι προσανατολισμένο παράλληλα με τον άξονα περιστροφής της σφαίρας. Αν η σφαίρα βρεθεί μέσα σ' ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, μεταβάλλεται η ολική της ενέργεια, ανάλογα με το πως το διάνυσμα του σπιν της είναι προσανατολισμένο σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο. 

Κατά κάποιον τρόπο ένα ηλεκτρόνιο μοιάζει με την φορτισμένη περιστρεφόμενη σφαίρα. Το ηλεκτρόνιο έχει το δικό του σπιν και κάποιο μαγνητικό πεδίο που αντιστοιχεί μ' αυτό. Μέσα σ' ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η ενέργεια του ηλεκτρονίου εξαρτάται από τον προσανατολισμό του σε σχέση με το πεδίο. Αλλά στο σημείο αυτό τελειώνουν οι ομοιότητες και αρχίζουν οι κβαντικές ιδιομορφίες. Τα ηλεκτρόνια φαίνεται πως είναι σημειακά, χωρίς διαστάσεις, κάθε άλλο δηλαδή παρά μικρές σφαίρες. Έτσι η απλή εικόνα του σπιν τους ως αποτέλεσμα κάποιας στροφικής τους κίνησης δεν ταιριάζει. Επιπρόσθετα κάθε ηλεκτρόνιο έχει ακριβώς το ίδιο σπιν, ίσο με το μισό της θεμελιώδους κβαντικής ποσότητας της γωνιακής στροφορμής. Η ιδιότητα αυτή περιγράφεται με τα μαθηματικά εκείνα που χρησιμοποιούνται για την κβαντική περιγραφή των στοιχειωδών σωματίων της ύλης, κάτι που ξεφεύγει από τους σκοπούς του παρόντος άρθρου. Το συμπέρασμα που συγκρατούμε είναι ότι το σπιν μαζί με το φορτίο και τη μάζα είναι χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν το ηλεκτρόνιο. 

Σ' ένα συνηθισμένο ηλεκτρικό κύκλωμα, τα σπιν κατευθύνονται προς τυχαίες κατευθύνσεις και δεν παίζουν ρόλο στην αντίσταση ενός σύρματος ή στην ενίσχυση ενός κυκλώματος από τρανζίστορ. Οι σπιντρονικές συσκευές αντίθετα, στηρίζονται στις διαφορές κατά την κίνηση των ηλεκτρονίων με σπιν προς τα επάνω, από αυτά με σπιν προς τα κάτω. Σ' έναν σιδηρομαγνήτη, όπως ο σίδηρος ή το κοβάλτιο, τα σπιν μερικών ηλεκτρονίων σε γειτονικά άτομα τείνουν να ευθυγραμμισθούν. Σ' ένα ισχυρά μαγνητισμένο κομμάτι σιδήρου, η ευθυγράμμιση επεκτείνεται στο μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου. Όταν ένα ρεύμα περάσει από τον σιδηρομαγνήτη, τα ηλεκτρόνια με το ένα είδος κατεύθυνσης του σπιν τείνουν να εμποδιστούν. Το αποτέλεσμα είναι μια πόλωση των σπιν του ρεύματος, κατά την οποία όλα τα σπιν των ηλεκτρονίων προσανατολίζονται προς την άλλη κατεύθυνση.

Ένας σιδηρομαγνήτης μπορεί ακόμη να επηρεάσει τη ροή ενός ρεύματος σε κάποιο διπλανό μη μαγνητικό μέταλλο. Για παράδειγμα, οι σημερινές κεφαλές ανάγνωσης στους σκληρούς δίσκους των  υπολογιστών, χρησιμοποιούν ένα εξάρτημα που κάνει τη δουλειά μια βαλβίδας για σπιν, όπου ένα στρώμα μη μαγνητικού μετάλλου βρίσκεται ενδιάμεσα από δύο άλλα σιδηρομαγνητικά στρώματα, σαν σάντουιτς. Η μαγνήτιση του πρώτου στρώματος είναι σταθερή, αλλά όχι και του δεύτερου σιδηρομαγνητικού στρώματος. Καθώς η κεφαλή ανάγνωσης περνάει περνάει πάνω από τη γραμμή όπου βρίσκονται αποθηκευμένα τα δεδομένα, τα μικρά μαγνητικά πεδία των αποθηκευμένων "1" και "0" του σκληρού δίσκου μεταβάλλουν την μαγνήτιση του δεύτερου στρώματος εναλλάξ σε παράλληλη και αντιπαράλληλη διεύθυνση προς την μαγνήτιση του σταθερού στρώματος. Στην παράλληλη περίπτωση, μόνο τα ηλεκτρόνια που είναι προσανατολισμένα στην προτιμητέα διεύθυνση κυκλοφορούν με ευκολία μέσα στον αγωγό. Στην αντιπαράλληλη περίπτωση, όλα τα ηλεκτρόνια εμποδίζονται. Οι μεταβολές που προκύπτουν στο ρεύμα επιτρέπουν στις κεφαλές να ανιχνεύουν ασθενή πεδία, έτσι ώστε τα δεδομένα μπορούν να αποθηκεύονται με χρήση πιο πυκνών μαγνητικών εγγραφών στο δίσκο, αυξάνοντας έτσι την αποθηκευτική δυνατότητα. 

ΕΠΑΦΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΣΗΡΑΓΓΑΣ

Εικόνα από την: SLIM FILMS; MOTOROLA (chip)

(Οι μαγνητικές μνήμες τυχαίας προσπέλασης (MRAM) αποθηκεύουν δεδομένα σε επαφές μαγνητικής σήραγγας, οι οποίες διατηρούν την κατάστασή τους ακόμη και όταν δεν υπάρχει ηλεκτρική τροφοδοσία. Ένα τσιπ   MRAM 256-kilobyte, φαίνεται αριστερά. ΟΙ επαφές μαγνητικής σήραγγας έχουν δύο σιδηρομαγνητικά στρώματα διαχωρισμένα με ένα λεπτό φραγμό από μονωτικό υλικό. Το πρώτο στρώμα πολώνει τα σπιν των ηλεκτρονίων του ρεύματος, και το ρεύμα υπερπηδά τον φραγμό προς το δεύτερο στρώμα με το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, όταν και τα δύο στρώματα είναι παράλληλα μαγνητισμένα. ("0," πάνω δεξιά). Όταν η μαγνήτιση του δεύτερου στρώματος αντιστραφεί, η διέλευση ελαττώνεται ("1," κάτω δεξιά).

Μια άλλη συσκευή με τρία στρώματα, η επαφή μαγνητικής σήραγγας, έχει ένα λεπτό μονωτικό στρώμα μεταξύ δύο μεταλλικών σιδηρομαγνητών. (Βλέπε την εικόνα). Το ρεύμα περνάει από την συσκευή με την διαδικασία της κβαντικής σήραγγας: Ένας μικρός αριθμός ηλεκτρονίων καταφέρνει και υπερπηδά τον φραγμό του μονωτή. Το ρεύμα αυτό εμποδίζεται όταν τα δύο σιδηρομαγνητικά στρώματα έχουν αντίθετους προσανατολισμούς μαγνήτισης, ενώ επιτρέπεται η διέλευσή του όταν οι προσανατολισμοί των μαγνητίσεων είναι όμοιοι. 

Οι επαφές μαγνητικής σήραγγας αποτελούν τη βάση των MRAM τσιπ που αναφέρθηκαν πριν. Κάθε επαφή μπορεί ν' αποθηκεύσει ένα bit πληροφορίας με τον προσανατολισμό του στρώματος μεταβλητής μαγνήτισης. Το στρώμα αυτό κρατάει τη μαγνητική του κατάσταση άσχετα αν υπάρχει ηλεκτρική τροφοδοσία ή όχι, τουλάχιστον μέχρι να ξαναγράψουμε σ' αυτό με την θέλησή μας.  

Ενώ οι σπιντρονικές συσκευές μετάλλων που μόλις περιγράφηκαν μας προσφέρουν νέους τρόπους αποθήκευσης πληροφοριών, οι σπιντρονικές συσκευές ημιαγωγών μπορούν να προσφέρουν ακόμη περισσότερες δυνατότητες. Επειδή οι συμβατικοί ημιαγωγοί δεν είναι σιδηρομαγνητικοί, κάποιος μπορεί ν' αναρωτηθεί πως οι σπιντρονικές συσκευές ημιαγωγών μπορούν να λειτουργήσουν; Μια λύση περιλαμβάνει ένα σιδηρομαγνητικό μέταλλο να στέλνει ένα ρεύμα με πολωμένα σπιν μέσα σ' ένα ημιαγωγό.

Το 1990 οι Supriyo Datta και  Biswajit A. Das, τότε στο Πανεπιστήμιο Purdue, πρότειναν ένα σχέδιο για ένα τρανζίστορ πεδίου με πολωμένα σπιν, ή σε συντομία σπιν FET. Σ' ένα συμβατικό τρανζίστορ FET, ένας στενός δίαυλος από ημιαγώγιμο υλικό βρίσκεται μεταξύ 2 ηλεκτροδίων που ονομάζονται πηγή και συλλέκτης. Όταν εφαρμοστεί κάποια τάση στο ηλεκτρόδιο της πύλης, το οποίο βρίσκεται πάνω από τον δίαυλο, το δημιουργούμενο ηλεκτρικό πεδίο οδηγεί τα ηλεκτρόνια έξω από τον δίαυλο (για παράδειγμα), μετατρέποντας τον δίαυλο σε μονωτή. Το σπιν- FET τρανζίστορ των Datta και Das, έχει  πηγή και συλλέκτη από σιδηρομαγνητικό υλικό, έτσι ώστε το ρεύμα που περνάει από τον δίαυλο έχει ηλεκτρόνια με πολωμένα σπιν. Όταν στην πύλη εφαρμοστεί μια τάση, τα σπιν περιστρέφονται καθώς περνούν μέσα από τον δίαυλο, και ο συλλέκτης απορρίπτει αυτά τα αντίθετα πολωμένα ηλεκτρόνια. 

Ένα σπιν-FET τρανζίστορ θα είχε αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με ένα συμβατικό FET. Το να αντιστρέψουμε το σπιν ενός ηλεκτρονίου απαιτεί πολύ λιγότερη ενέργεια και μπορεί να γίνει αρκετά ταχύτερα από το να σπρώξουμε ένα ηλεκτρόνιο έξω από τον δίαυλο. Κανείς μπορεί επίσης να φανταστεί την αλλαγή προσανατολισμού της μαγνήτισης της πηγής ή του συλλέκτη με ένα μαγνητικό πεδίο, εισάγοντας έτσι ένα πρόσθετο τύπο ελέγχου, ο οποίος δεν είναι δυνατός με ένα συμβατικό FET. Αυτό οδηγεί σε λογικές πύλες των οποίων ο ρόλος αλλάζει κατά την διάρκεια της λειτουργίας τους. 

Προς το παρόν όμως κανείς δεν έχει καταφέρει να φτιάξει ένα αποδοτικό τρανζίστορ Datta-Das σπιν FET εξαιτίας της δυσκολίας που εμφανίζεται κατά την έκχυση ρευμάτων με πολωμένα σπιν από ένα σιδηρομαγνητικό μέταλλο σε έναν ημιαγωγό. Αν και αυτό παραμένει ένα αμφιλεγόμενο θέμα, πρόσφατα πειράματα οπτικής που έγιναν σε διάφορα εργαστήρια ανά τον κόσμο, δείχνουν ότι μια αποτελεσματική έκχυση σπιν σε ημιαγωγό μπορεί πράγματι να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μη συμβατικά υλικά, τα οποία αποκαλούνται μαγνητικοί ημιαγωγοί, και περιλαμβάνουν μαγνητικές ιδιότητες καθώς εμφυτεύονται στον κρύσταλλο του ημιαγωγού άτομα πχ μαγγανίου. 

Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΣΠΙΝ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ

Εικόνα από την: SLIM FILMS

Ένα προτεινόμενο σχέδιο για ένα σπιν FET (σπιντρονικό τρανζίστορ πεδίου) έχει μια πηγή και ένα συλλέκτη που τους διαχωρίζει ένας ημιαγώγιμος δίαυλος, όπως και σε ένα συμβατικό  FET. Στο σπιν FET, τόσο η πηγή όσο και ο συλλέκτης είναι σιδηρομαγνήτες. Η πηγή στέλνει ηλεκτρόνια με πολωμένα σπιν στον δίαυλο και αυτό το ρεύμα ρέει εύκολα αν μπορεί να φτάσει στο συλλέκτη αναλλοίωτο.(Επάνω). Αν στο ηλεκτρόδιο της πύλης εφαρμοστεί μια τάση παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο στον δίαυλο, το οποίο προκαλεί στο σπιν των γρήγορα κινούμενων ηλεκτρονίων μια περιδίνηση ή περιφορά. (Κάτω). Ο συλλέκτης εμποδίζει το ρεύμα των σπιν ανάλογα με το πόσο έχουν στραφεί τα σπιν. Η αντιστροφή των σπιν με τον τρόπο αυτόν καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια και γίνεται πολύ ταχύτερα απ' όσο γίνεται σε ένα συμβατικό FET η εκδίωξη των φορτίων έξω από τον δίαυλο μ' ένα ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο.

Μερικοί μαγνητικοί ημιαγωγοί έχουν κατασκευαστεί προκειμένου να είναι σιδηρομαγνήτες, εξασφαλίζοντας έτσι μια σπιντρονική σύνθεση που λέγεται σιδηρομαγνήτης με πύλη, και ο οποίος μπορεί μια μέρα να παίξει ένα σημαντικό ρόλο για τα σπιν - τρανζίστορς. Στη συσκευή αυτή μια μικρή τάση, θα κάνει τον ημιαγωγό να μεταπίπτει μεταξύ μη μαγνητικής και σιδηρομαγνητικής κατάστασης. Ένας σιδηρομαγνήτης με πύλη θα μπορούσε με τη σειρά του να χρησιμοποιηθεί ως ένα φίλτρο για σπιν, δηλαδή μια συσκευή η οποία όταν είναι ενεργοποιημένη επιτρέπει τη διέλευση ενός τύπου προσανατολισμού του σπιν αλλά όχι και του άλλου.

Το φαινόμενο του φιλτραρίσματος των σπιν μπορεί να ενισχυθεί με την τοποθέτηση ενός σιδηρομαγνήτη σε μια συντονισμένη δίοδο σήραγγας. Οι συμβατικές συντονισμένες δίοδοι σήραγγας επιτρέπουν την διέλευση ρεύματος με την εφαρμογή μιας συγκεκριμένης τάσης. Η τάση αυτή είναι τέτοια ώστε τα ηλεκτρόνια να έχουν μια ενέργεια που είναι σε συντονισμό με το ενεργειακό φράγμα της σήραγγας. Η εκδοχή που ενσωματώνει ένα σιδηρομαγνήτη θα είχε ένα φράγμα στο οποίο ο συντονισμός θα επιτυγχανόταν με διαφορετικές εφαρμοζόμενες τάσεις για σπιν προσανατολισμένα πάνω ή κάτω. 

Η πιο ενδιαφέρουσα εξέλιξη στους σπιντρονικούς ημιαγωγούς θα είναι πιθανότατα οι συσκευές εκείνες που ακόμα ούτε τις φανταζόμαστε. Το ερώτημα κλειδί στην έρευνα της δεύτερης αυτής κατηγορίας των σπιντρονικών  συσκευών είναι πόσο καλά τα ηλεκτρόνια διατηρούν μια συγκεκριμένη κατάσταση σπιν καθώς διασχίζουν ένα ημιαγωγό ή περνάνε από ένα υλικό σ' ένα άλλο. Για παράδειγμα, ένα σπιν FET δεν δουλεύει εκτός εάν τα ηλεκτρόνια παραμένουν πολωμένα καθώς εισέρχονται στον δίαυλο και ταξιδεύουν προς το άλλο του άκρο. 

Το ερώτημα, πόσο γρήγορα σβήνει η πόλωση του σπιν γίνεται όλο και πιο οξύ αν πρόκειται να κατασκευάσουμε κβαντικούς υπολογιστές βασισμένους στα σπιν. Η εφαρμογή αυτή απαιτεί έλεγχο πάνω σε μια ιδιότητα που λέγεται κβαντική συμφωνία φάσης. Αυτή είναι σε τελευταία ανάλυση η κβαντική φύση όλων των εξαρτημάτων των υπολογιστών που διαχειρίζονται την πληροφορία. Κβαντικά δεδομένα σε ημιαγωγούς βασισμένους στα φορτία των ηλεκτρονίων τείνουν να μην παρουσιάζουν συμφωνία φάσης, να εξαφανίζονται σε μερικά πικοδευτερόλεπτα, ακόμα και σε περιβάλλον πολύ χαμηλών θερμοκρασιών. Κβαντικά δεδομένα βασισμένα στο σπιν είναι εκ φύσεως πιο μακρόβια. Αρκετά παράδοξα, οι ερευνητικές ομάδες σκόνταψαν σε βασικά αποτελέσματα που αφορούν σύμφωνες καταστάσεις ηλεκτρονικών σπιν, καθώς πειραματίζονταν προς την ανάπτυξη πρακτικών μαγνητικών ημιαγωγών. 

Μια Ευχάριστη Έκπληξη

Το 1997 στο Πανεπιστήμιο της  Santa Barbara, στην Καλιφόρνια γίνονταν πειράματα με την ένωση (ZnSe), έναν συμβατικό ημιαγωγό που είχε μελετηθεί επί μακρόν. Στα πειράματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν παλμοί κυκλικά πολωμένου φωτός για να διεγείρουν περιοχές με ηλεκτρόνια που είχαν ταυτόσημο σπιν, μέσα στο ZnSe. Σ' ένα κυκλικά πολωμένο φως αντί για ταλάντωση της έντασής του, το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο περιστρέφονται κυκλικά, εγκάρσια στην διεύθυνση διάδοσης του φωτός. 

Χρησιμοποιήθηκαν εξαιρετικά βραχύβιοι παλμοί (100-femtosecond) οριζόντια μέσα από τον ημιαγωγό, το οποίο διέγειρε τα ηλεκτρόνια σε οριζόντια προσανατολισμένες καταστάσεις σπιν, αρχικά παράλληλες με την δέσμη φωτός. Σ' ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρονικά σπιν εκτελούν μετάπτωση - δηλαδή η διεύθυνση του σπιν κάθε ηλεκτρονίου περιστρέφεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο - με παρόμοιο τρόπο όπως ο άξονας ενός κεκλιμένου γυροσκοπίου, περιστρέφεται μέσα στο πεδίο βαρύτητας της γης. Η μεταπτωτική αυτή κίνηση μας επιτρέπει να ελέγξουμε επί πόση ώρα αυτές οι καταστάσεις παραμένουν συμφασικές. Ο οριζόντιος όμως προσανατολισμός του σπιν έχει και μια άλλη πιο σπουδαία ιδιότητα. 

Για μια μπάλα του μπέϊζμπολ, η  περιστροφή της γύρω από οριζόντιο άξονα, δεν έχει τίποτα ιδιαίτερο και διαφοροποιείται από τους άλλους δύο άξονες περιστροφής, ορθογώνιους προς τον πρώτο. Για τα ηλεκτρόνια, όμως, οι οριζόντιες κβαντικές καταστάσεις του σπιν είναι στην πραγματικότητα συμφασικές υπερθέσεις των καταστάσεων με σπιν "πάνω" και σπιν "κάτω". Δηλαδή τα ηλεκτρόνια με οριζόντιο σπιν είναι συγχρόνως και στην κατάσταση με  σπιν "πάνω" και στην κατάσταση με σπιν "κάτω". Αυτό το είδος της συμφασικής υπέρθεσης καταστάσεων αξιοποιείται από τους κβαντικούς υπολογιστές. (Βλέπε εικόνα).

Κάθε ηλεκτρονικό σπιν μπορεί να παριστάνει ένα bit πληροφορίας. Για παράδειγμα το σπιν "επάνω" να παριστάνει το 1 και το σπιν "κάτω" να παριστάνει το 0. Με τους συμβατικούς υπολογιστές, προχωρούμε στη σειρά για να ελέγξουμε ένα ένα τα bits τα οποία πρέπει να  παραμένουν σε σταθερές, καλά καθορισμένες καταστάσεις. Ένας κβαντικός υπολογιστής, αντίθετα, στηρίζεται στην κωδικοποίηση της πληροφορίας μέσω κβαντικών bits ή qubits όπως λέγονται συνήθως. Καθένα από αυτά μπορεί να υπάρχει σε ένα συνδυασμό από 0 και 1. Έχοντας ένα μεγάλο αριθμό από qubits σε υπερθέσεις εναλλακτικών καταστάσεων, ένας κβαντικός υπολογιστής ενδογενώς περιέχει την δυνατότητα μαζικής επεξεργασίας κατά παράλληλο τρόπο, ώστε οι κβαντικοί αλγόριθμοι να μπορούν να επεξεργαστούν πολλούς διαφορετικούς αριθμούς συγχρόνως. 

ΣΠΙΝΤΡΟΝΙΚΑ  QUBITS

Εικόνα από την: SLIM FILMS

1  Σ' ένα συμβατικό υπολογιστή κάθε bit έχει μια καθορισμένη τιμή είτε 0 είτε 1. Μια σειρά από 8 bits μπορούν να παραστήσουν κάθε αριθμό μεταξύ 0 και 255, αλλά μόνο ένας αριθμός αντιστοιχεί σε κάθε 8μπιτο συνδυασμό.  2  Τα ηλεκτρονικά σπιν με προσανατολισμό "πάνω" ή "κάτω" μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως bits. 3  Τα κβαντικά bits, ή αλλιώς qubits, μπορούν επίσης να υπάρξουν ως υπερθέσεις των 0 και 1, εμπεριέχοντας συγχρόνως και τις δύο τιμές. 8 qubits μπορούν να παραστήσουν κάθε αριθμό από το 0 έως το 255 συγχρόνως!  4  Τα σπιν των ηλεκτρονίων είναι φυσικά qubits. Ένα ηλεκτρόνιο με κεκλιμένο άξονα του σπιν είναι μια υπέρθεση συμφασικών καταστάσεων με σπιν "πάνω" και σπιν "κάτω" η οποία είναι λιγότερο εύθραυστη σε σχέση με άλλες κβαντικές ηλεκτρονικές καταστάσεις.  5  Τα Qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα: τυχαίες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους υποβαθμίζουν τις υπερθέσεις εξαιρετικά γρήγορα, μετατρέποντάς τις σε τυχαία διατεταγμένα συνηθισμένα bits.

Ατυχώς, στα περισσότερα φυσικά συστήματα, οι αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον, γρήγορα καταστρέφουν την υπέρθεση των καταστάσεων. Μια τέτοια καταστροφή θα είχε ως αποτέλεσμα την μεταβολή της υπέρθεσης των 0 και 1, σε τυχαία σειρά από 0 και 1. Μια τέτοια διαδικασία καλείται κατάρρευση της συμφασικής υπέρθεσης (decoherence). Τα σημερινά qubits που βασίζονται στα φορτία των ηλεκτρονίων μέσα σε ημιαγωγούς παραμένουν συμφασικά  για λίγα πικοδευτερόλεπτα το πολύ, και μόνο σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Η γρήγορη καταστροφή της συμφασικής υπέρθεσης συμβαίνει γιατί η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ των φορτίων είναι ισχυρή και μακράς εμβέλειας. Στις παραδοσιακές συσκευές ημιαγωγών, αυτή η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι ωφέλιμη γιατί μας επιτρέπει τον λεπτομερή έλεγχο της ροής του ρεύματος με μικρά ηλεκτρικά πεδία. Στις κβαντικές συσκευές όμως που λειτουργούν με υπέρθεση καταστάσεων, είναι κάτι ανεπιθύμητο.

Τα qubits των ηλεκτρονικών σπιν αλληλεπιδρούν μόνο ασθενικά με το περιβάλλον τους, κυρίως μέσω μαγνητικών πεδίων τα οποία δεν είναι ομογενή ή μεταβάλλονται με τον χρόνο. Από τέτοια πεδία μπορούμε να θωρακίσουμε τις κατασκευές μας. Ο σκοπός της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο της  Santa Barbara, ήταν να δημιουργήσει μερικές από αυτές τις συμφασικές υπερθέσεις μέσα σ' έναν ημιαγωγό, και να δει  για πόσο χρονικό διάστημα θα μπορούσαν να επιζήσουν. Τα αποτελέσματα θα ήταν επίσης χρήσιμα για να κατανοήσουμε πως να σχεδιάσουμε συσκευές όπως σπιν-τρανζίστορ, τα οποία δεν εξαρτώνται από την συντήρηση και ανίχνευση της κβαντικής κατάστασης ενός μεμονωμένου ηλεκτρονικού σπιν. 

Το πείραμα της ομάδας μετρούσε τον ρυθμό της αποικοδόμησης της σύμφωνης υπέρθεσης, καταγράφοντας την μετάπτωση των σπιν. Κάθε ηλεκτρόνιο συνεχίζει να κάνει μετάπτωση( να στρέφεται ο άξονας του σπιν), όσο η υπέρθεση παρέμενε συμφασική. Χρησιμοποιήθηκαν ασθενείς παλμοί φωτός για την καταγραφή της μετάπτωσης, επιτυγχάνοντας έτσι στροβοσκοπικές εικόνες της δυναμικής των σπιν. Καθώς τα ηλεκτρόνια έκαναν μετάπτωση, το μετρούμενο σήμα ταλαντωνόταν σε μέγεθος. Καθώς η συμφασικότητα χανόταν, το πλάτος της ταλάντωσης αυτής έτεινε στο μηδέν.   

Προς μεγάλη έκπληξη της ομάδας, οι διεγερμένες με οπτικό τρόπο καταστάσεις του σπιν στο ZnSe παρέμεναν συμφασικές για αρκετά νανοδευτερόλεπτα σε χαμηλές θερμοκρασίες. 1000 φορές περισσότερο απ' ότι τα qubits που βασίζονται στα φορτία. Οι καταστάσεις αυτές έζησαν μερικά νανοδευτερόλεπτα ακόμη και σε θερμοκρασίες δωματίου. Μεταγενέστερες μελέτες σε GaAs (έναν υψηλής ποιότητας ημιαγωγό που χρησιμοποιείται σε καθημερινές εφαρμογές όπως στην κινητή τηλεφωνία και στα CD players), έδειξαν ότι κάτω από άριστες συνθήκες, η συμφασικότητα των σπιν σ' έναν ημιαγωγό θα μπορούσε να διαρκέσει εκατοντάδες νανοδευτερόλεπτα σε χαμηλές θερμοκρασίες.  

Κίνδυνοι των Οπών

Τα πειράματα αυτά αποκάλυψαν επίσης χαρακτηριστικά που είναι κρίσιμα για να επιτύχουμε μεγάλους χρόνους διατήρησης της συμφασικής υπέρθεσης των σπιν. Η φύση των φορέων του φορτίου και του σπιν είναι κεφαλαιώδους σημασίας. Ένας ημιαγωγός έχει δύο βασικές ενεργειακές ζώνες κβαντικών  καταστάσεων οι οποίες μπορούν να καταληφθούν από ηλεκτρόνια. Μια ζώνη σθένους η οποία συνήθως είναι πλήρης, και λίγο ψηλότερα ενεργειακά, μια ζώνη αγωγιμότητας η οποία συνήθως είναι άδεια. Οι φορείς του ρεύματος στους ημιαγωγούς είναι δύο ειδών: ηλεκτρόνια αγωγιμότητας, δηλαδή ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη ζώνη αγωγιμότητας, και οπές σθένους δηλαδή ηλεκτρόνια που λείπουν από τη ζώνη σθένους. Οι οπές φέρουν επίσης σπιν, διότι σε μια τελείως γεμάτη ζώνη σθένους, όλα τα σπιν είναι σε αντιπαράληλλα ζευγάρια και αλληλοεξουδετερώνονται. Η απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από την ζώνη σθένους αφήνει κάποιο σπιν χωρίς το αντιπαράληλλο ταίρι του, κατά τον ίδιο τρόπο που αφήνει πίσω του ένα θετικό φορτίο. Η έλλειψη αυτή του ηλεκτρονίου αποκαλείται οπή.   

Οι οπές έχουν δραματικά μικρότερους χρόνους χρόνους που παραμένουν σε συμφασική υπέρθεση σε σχέση με τα ηλεκτρόνια, και η ανταλλαγή σπιν μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών είναι δυνατή πολύ εύκολα, επιταχύνοντας την καταστροφή της υπέρθεσης και των δύο. Για τους λόγους αυτούς, δεν ωφελεί να χρησιμοποιηθούν ως φορείς του ρεύματος οι οπές, μια κατάσταση που επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ημιαγώγιμους κρυστάλλους που έχουν n-πρόσμιξη. Η πρόσμιξη τους εξασφαλίζει μερικά πρόσθετα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας χωρίς την αντίστοιχη ύπαρξη οπών στη ζώνη σθένους. 

Όταν εξαλειφθούν οι οπές, η κύρια πηγή καταστροφής της υπέρθεσης που απομένει προέρχεται από ένα σχετικιστικό φαινόμενο. Ένα σώμα που κινείται με μεγάλη ταχύτητα μέσα σ' ένα ηλεκτρικό πεδίο "βλέπει" το ηλεκτρικό πεδίο εν μέρει μετασχηματισμένο σε μαγνητικό πεδίο. Για ένα ηλεκτρόνιο κινούμενο μέσα σε ημιαγωγό, η κρυσταλλική δομή του υλικού είναι αυτή που εξασφαλίζει το ηλεκτρικό πεδίο. Το σπιν ενός γρήγορου ηλεκτρονίου κάνει μετάπτωση γύρω από το μαγνητικό πεδίο το οποίο αντιλαμβάνεται. Σε κάθε σύνολο ηλεκτρονίων του πειράματος, τα 10 περίπου  δισεκατομμύρια διεγερμένα ηλεκτρόνια έχουν μεγάλη ποικιλία ταχυτήτων και συνεπώς κάνουν διαφορετικές μεταπτώσεις. Δύο σπιν που αρχικά ξεκινούν ως παράλληλα μπορεί να καταλήξουν με αντίθετους προσανατολισμούς. Καθώς αυτός ο αποπροσανατολισμός των ηλεκτρονίων αυξάνεται, η μέση πόλωση των σπιν μειώνεται, και αυτό στο πείραμα μετρείται ως απώλεια της συμφασικής υπέρθεσης. Αυτή η καταστροφή της συμφασικής υπέρθεσης η οποία είναι στατιστικής φύσης, τονώνει τις ελπίδες πως οι χρόνοι που παραμένουν συμφασικά τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια, είναι κατά πολύ μεγαλύτεροι ακόμη και από τους αξιοσημείωτα μεγάλους χρόνους που παρατηρήθηκαν στα πειράματα και αφορούσαν σύνολα ηλεκτρονίων. 

Η Χρήση των Σπιν στο Μέλλον

Σε συνδυασμό με την διάρκεια ζωής των φορέων του ρεύματος, δύο άλλες ιδιότητες είναι επίσης κρίσιμες για τις εφαρμογές με ημιαγωγούς: πόσο μακριά μπορούν να διαδοθούν οι διεγέρσεις και πόσο γρήγορα μπορούμε να μεταβάλλουμε την κατάσταση μιας συσκευής. Η μακροσκοπική διάδοση των σπιν  παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε ημιαγωγό Ga-As με n-πρόσμιξη. Ένας παλμός laser διέγειρε μια λίμνη από συμφασικά ηλεκτρόνια που έκαναν μετάπτωση, όπως και στο προηγούμενο πείραμα μέτρησης του χρόνου ζωής των, αλλά ύστερα με ένα πλευρικό ηλεκτρικό πεδίο μετακινήθηκαν ομαδικά τα ηλεκτρόνια μέσα στον κρύσταλλο. Τα πακέτα των σπιν ταξίδεψαν περισσότερο από 100 μικρά (μια απόσταση που υπερβαίνει κατά πολύ τις χαρακτηριστικές αποστάσεις της σύγχρονης μικροηλεκτρονικής) με μέτρια μόνο απώλεια της πόλωσης των σπιν. (Δείτε και την εικόνα). Πρόσφατα πειράματα έχουν μεταφέρει υπερθέσεις των σπιν, με επιτυχία, δια μέσω των διαχωριστικών επιφανειών κρυστάλλων με διαφορετική σύνθεση. Για παράδειγμα από GaAs σε ZnSe. Μια πλούσια γκάμα εφαρμογών των ημιαγωγών, από λέϊζερ μέχρι τρανζίστορ στηρίζονται στις ετεροδομές οι οποίες συνδυάζουν διαχωρισμένα υλικά. Οι ίδιες τεχνικές σχεδίασης μπορούν να εφαρμοστούν και στις σπιντρονικές συσκευές. 

Έχουν επίσης γίνει και παραπέρα πρόοδοι προς την επεξεργασία της κβαντικής πληροφορίας. Για παράδειγμα παλμοί λέϊζερ των 150 femtoseconds, χρησιμοποιήθηκαν για να αλλάξουν τον προσανατολισμό καταστάσεων των σπιν που έχουν προκύψει με υπέρθεση. Αποδεικνύεται με τα πειράματα αυτά ότι κατ' αρχήν μπορούμε να διαχειριστούμε τα σπιν αυτά πολύ πριν χαθεί η συμφασική υπέρθεσή τους. Συγχρόνως οι ερευνητές με πιο βραχυπρόθεσμους στόχους έχουν κάνει σημαντικά βήματα σύνθεσης νέων μαγνητικών ημιαγωγών, οι οποίοι μπορούν τελικά ν' ανοίξουν το δρόμο για την πρακτική εκμετάλλευση των σπιν-τρανζίστορ. Σε κάθε μέτωπο έρευνας, η σπιντρονική επανάσταση προχωρεί και θα συνεχίσει να γεννάει τεχνολογίες που θα ήταν αδιανόητες σε ένα μη κβαντικό κόσμο.