과학자들은 전기 펄스를 사용하여 자기 정보를 편광 신호로 조작했으며, 이는 지구와 화성 간을 포함한 장거리 광 통신에 혁명을 일으킬 수 있는 발견입니다.
에 발표된 연구에 설명된 획기적인 발전 자연는 정보를 저장하고 처리하기 위해 전자의 스핀을 조작하는 것을 목표로 하는 스핀트로닉스(spintronics) 분야를 포함합니다.
연구자들은 이 스핀 정보를 전자에서 빛을 구성하는 입자인 광자로 전달하기 위해 전기 펄스를 적용하여 정보가 빠른 속도로 먼 거리까지 전달될 수 있도록 했습니다. 그들의 방법은 실온에서의 작동, 자기장 필요 없음, 전기 제어 능력이라는 세 가지 중요한 기준을 충족하며 초고속 통신 및 양자 기술을 포함한 다양한 응용 분야에 대한 문을 열어줍니다.
“수십년 동안 우리는 자기저항과 단순한 정보 저장을 넘어 상온 스핀트로닉 장치를 꿈꾸고 예측해 왔습니다. 이 팀의 발견으로 우리의 꿈은 현실이 되었습니다.”라고 이번 연구의 공동 저자이자 버팔로 대학의 SUNY 물리학 교수인 Igor Žutić는 말합니다.
이번 연구는 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 로렌대학교의 공동 기관인 장 라무르 연구소(Jean Lamour Institute)가 주도했습니다. 다른 기여자들은 프랑스, 독일, 일본, 중국 및 미국의 대학 및 기관을 대표합니다.
Spintronic 장치는 기존 전자 장치를 대체할 수 있습니다.
자기 컴퓨터 하드 드라이브에 성공적으로 사용된 스핀트로닉스에서 정보는 전자 스핀과 그 대리자화 방향으로 표현됩니다.
철이나 코발트와 같은 강자성체는 스핀이 자화 축을 따르거나 반대 방향으로 향하는 전자 수가 동일하지 않습니다. 자화 방향에 따라 스핀을 갖는 전자는 강자성체를 가로질러 원활하게 이동하는 반면 반대 방향의 스핀 방향을 갖는 전자는 튕겨 나옵니다. 이는 0과 1이라는 이진 정보를 나타냅니다.
이에 따른 저항의 변화는 저장된 정보라고 할 수 있는 자기상태가 무한정 유지되는 스핀트로닉 소자의 핵심 원리이다. 냉장고 자석이 문에 붙어 있는 데 전력이 필요하지 않은 것처럼 스핀트로닉 장치는 기존 전자 장치보다 훨씬 적은 전력을 필요로 합니다.
그러나 물고기를 물 밖으로 꺼내는 것과 마찬가지로 강자성체에서 전자를 꺼내면 스핀 정보가 빠르게 손실되어 멀리 이동할 수 없습니다. 이러한 주요 한계는 원형 편광(나선성이라고도 함)을 통해 빛을 또 다른 스핀 캐리어로 활용함으로써 극복할 수 있습니다.
수세기 전에 인간이 문자 의사소통을 도보로 할 수 있는 것보다 더 멀리, 더 빠르게 전달하기 위해 운반비둘기를 사용한 것처럼, 전자 스핀을 빛의 양자인 사진으로 전달하는 것이 비결입니다.
Spin-LED는 세 가지 기준을 충족합니다.
강자성체 외부의 스핀 정보 손실을 담당하는 스핀-궤도 결합의 존재로 인해 이러한 전송이 가능해집니다. 중요한 누락 링크는 자화를 전기적으로 변조하여 방출된 빛의 나선성을 변경하는 것입니다.
“스핀 LED의 개념은 지난 세기 말에 처음 제안되었습니다. 그러나 실제 응용으로 전환하려면 실온에서 작동, 자기장이 필요하지 않음, 전기 제어 능력이라는 세 가지 중요한 기준을 충족해야 합니다."라고 해당 연구의 교신 저자이자 CNRS 수석 연구원인 Yuan Lu는 말합니다. 장 라무르 연구소.
"이 분야에서 15년 넘게 헌신적인 노력을 기울인 끝에 우리 협력 팀은 모든 장애물을 성공적으로 극복했습니다."
연구진은 스핀-궤도 토크를 사용하여 전기 펄스로 스핀 주입기의 자화를 성공적으로 전환했습니다. 전자의 스핀은 방출된 광자의 나선형에 포함된 정보로 빠르게 변환되어 자화 역학과 광자 기술의 원활한 통합을 가능하게 합니다.
이러한 전기적으로 제어되는 스핀-광자 변환은 이제 발광 다이오드의 전기발광에서 달성됩니다. 앞으로는 구현을 통해 반도체 소위 스핀 레이저라고 불리는 레이저 다이오드는 빛의 편광이 우주 전파에서 보존되어 잠재적으로 지구와 화성 사이의 가장 빠른 통신 모드가 될 수 있기 때문에 행성 간 거리에서 빠른 통신을 위한 길을 열 수 있습니다.
또한 광학 양자 통신 및 계산, 인공 지능을 위한 뉴로모픽 컴퓨팅, 데이터 센터 또는 Light-Fidelity(LiFi) 애플리케이션을 위한 초고속 및 고효율 광 송신기와 같은 지구상의 다양한 첨단 기술 개발에 큰 도움이 될 것입니다.
“스핀-궤도-토크 스핀 인젝터의 실현은 차세대 광통신 및 양자 기술을 위한 초고속 및 에너지 효율적인 스핀 레이저 개발을 크게 발전시키는 결정적인 단계입니다.”라고 공동 저자인 Nils Gerhardt 교수는 말했습니다. Photonics 및 Terahertz 회장 Technology 보훔의 루르 대학교에서.