Ένα σπιν που ελέγχεται από ηλεκτρικό πεδίο

Πηγή: PhysicsWorld, 3 Νοεμβρίου 2007

ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΣΠΙΝ

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.

Ερευνητές στην Ολλανδία έχουν δείξει ότι είναι δυνατό να ελεγχθεί το σπιν ενός μοναδικού ηλεκτρονίου με τη χρησιμοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου αντί του μαγνητικού πεδίου, όπως γίνεται συνήθως. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει πιθανές εφαρμογές στη σπιντρονική (spintronics) και τον κβαντικό υπολογισμό.

Η εργασία αυτή δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science.

Ένα αναπτυσσόμενο πεδίο στην έρευνα είναι η σπιντρονική που εκμεταλλεύεται το σπιν καθώς επίσης και το φορτίο των ηλεκτρονίων. Το νέο πεδίο ήδη έχει χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την ποσότητα των δεδομένων που μπορούν να αποθηκευτούν στους σκληρούς δίσκους και κάποια μέρα θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση των πρακτικών κβαντικών υπολογιστών, που θα εκτελούν υπολογισμούς με το χειρισμό των σπιν των απλών ηλεκτρονίων.

Ένα βασικό στοιχείο της σπιντρονικής είναι η δυνατότητα της να αλλάξει την κατεύθυνση του σπιν ενός ηλεκτρονίου από πάνω σε κάτω. Στη νέα εργασία, μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από το τον Lieven Vandersypen, στο Ίδρυμα Kavli των Νανοεπιστημών στο πανεπιστήμιο του Ντελφτ,  απέθεσε μεταλλικές χρυσές πύλες πάνω σε ένα υπόστρωμα αρσενιδίου του γαλλίου, δημιουργώντας έτσι μια μικρή περιοχή όπου ένα μόνο ηλεκτρόνιο μπορεί να τοποθετηθεί. Οι ερευνητές μπόρεσαν έπειτα να χρησιμοποιήσουν αυτές τις κβαντικές κουκίδες όπως λέγονται, για να ελέγξουν το σπιν του ηλεκτρονίου.

Αν και προηγουμένως ήταν σε θέση οι ερευνητές να μεταβάλουν την κατεύθυνση του σπιν των ηλεκτρονίων - που περιορίζονται σε αυτές τις κουκίδες - εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο, όμως δεν είναι εύκολο να παραχθεί ένα μαγνητικό πεδίο τοπικά σε ένα τσιπ που να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να αλλάξει το σπιν διεύθυνση. "Για να χειριστεί δε κάποιος μια σειρά απλών σπιν είναι σχεδόν αδύνατο", λέει ο Vandersypen.

Στα νέα πειράματά τους, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο κβαντικές κουκίδες που η κάθε μία απείχε 0,2 µm. Εάν τα σπιν στις κουκίδες είναι και τα δύο παράλληλα, κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να πηδήσει από τη μία κουκίδα στην άλλη λόγω της Απαγορευτικής Αρχής του Pauli. Εντούτοις, η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου αναγκάζει το ένα σπιν να αλλάξει διεύθυνση.

Πράγματι, εάν εφαρμοστεί το ηλεκτρικό πεδίο για αρκετό χρόνο τότε το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να αλλάξει διεύθυνση και να γίνει αντιπαράλληλο με το απιν του άλλου ηλεκτρονίου, και τότε μόνο μπορεί να πηδήσει το ηλεκτρόνιο προς την άλλη κουκίδα και έτσι να προκαλέσει ένα ρεύμα. Τελικά, εάν το πεδίο εφαρμοστεί ακόμα περισσότερο, το σπιν επιστρέφει στην αρχική του διεύθυνση πάλι. Οι φυσικοί που πραγματοποίησαν το πείραμα, διαπίστωσαν ότι το ρεύμα μεταβάλλεται ημιτονοειδώς όταν σχεδιαστεί με ορισμένο τρόπο. Αυτές οι μεταβολές του σπιν είναι γνωστές ως ταλαντώσεις Rabi, κι αυτή η ανακάλυψη απέδειξε τον έλεγχο της αλλαγής του σπιν.

Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται για να ελέγξει το ηλεκτρικό πεδίο το σπιν ενός ηλεκτρονίου βρίσκεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ σπιν-τροχιάς. Καθώς το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από έναν πυρήνα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που αλλάζει τη μαγνητική ροπή του έτσι ώστε, στο πλαίσιο αναφοράς του ηλεκτρονίου, το ηλεκτρικό πεδίο να εμφανίζεται ως μαγνητικό πεδίο.

Η ομάδα υπολόγισε ότι η σύζευξη από το ηλεκτρικό πεδίο του αρσενιδίου του γαλλίου πάνω στο σπιν του απλού ηλεκτρονίου στην κβαντική κουκίδα, είναι αρκετά ισχυρή ώστε να αλλάξει την κατεύθυνση του σπιν όταν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο.

Δείχνοντας ότι είναι δυνατό να ελεγχθούν τα απλά σπιν στις κβαντικές κουκίδες μέσω περιορισμένων ηλεκτρικών πεδίων, οι ερευνητές στο Ντελφτ προγραμματίζουν τώρα να παραγάγουν μια σειρά κβαντικών κουκίδων, όπου μπορούν να χειριστούν κάθε κατάσταση του σπιν των ηλεκτρονίων. Προγραμματίζουν δε να χρησιμοποιήσουν αυτές τις σειρές για να σχηματίσουν ελεγχόμενα συνδεμένα σπιν, κάτι που θα μπορούσε να προετοιμάσει το έδαφος για τις πεπλεγμένες καταστάσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων.