Para saintis telah menggunakan denyutan elektrik untuk memanipulasi maklumat magnetik menjadi isyarat cahaya terpolarisasi, penemuan yang boleh merevolusikan telekomunikasi optik jarak jauh, termasuk antara Bumi dan Marikh.
Kejayaan itu, yang diterangkan dalam kajian yang diterbitkan dalam Alam, melibatkan bidang spintronics, yang bertujuan untuk memanipulasi putaran elektron untuk menyimpan dan memproses maklumat.
Para penyelidik menggunakan nadi elektrik untuk memindahkan maklumat putaran ini daripada elektron ke foton, zarah-zarah yang membentuk cahaya, membolehkan maklumat itu dibawa pada jarak yang jauh pada kelajuan yang tinggi. Kaedah mereka memenuhi tiga kriteria penting—operasi pada suhu bilik, tidak memerlukan medan magnet dan keupayaan untuk kawalan elektrik—dan membuka pintu kepada pelbagai aplikasi, termasuk teknologi komunikasi ultra pantas dan kuantum.
"Selama beberapa dekad kami mengimpikan dan meramalkan peranti spintronik suhu bilik di luar rintangan magnet dan hanya menyimpan maklumat. Dengan penemuan pasukan ini, impian kami menjadi kenyataan,” kata pengarang bersama kajian itu, Igor Žutić, Profesor fizik Cemerlang SUNY di Universiti di Buffalo.
Kajian itu diketuai oleh Institut Jean Lamour, unit bersama Pusat Penyelidikan Saintifik Kebangsaan (CNRS) Perancis dan Universiti Lorraine. Penyumbang lain mewakili universiti dan institut di Perancis, Jerman, Jepun, China dan Amerika Syarikat.
Peranti spintronic boleh menggantikan elektronik konvensional
Dalam spintronics, yang telah berjaya digunakan dalam pemacu keras komputer magnetik, maklumat diwakili oleh putaran elektron dan, oleh proksinya, arah kemagnetan.
Ferromagnet, seperti besi atau kobalt, mempunyai bilangan elektron yang tidak sama yang putarannya berorientasikan sama ada sepanjang atau terhadap paksi magnetisasi. Elektron dengan putaran sepanjang kemagnetan bergerak dengan lancar merentasi ferromagnet, manakala elektron yang mempunyai orientasi putaran bertentangan dilantunkan. Ini mewakili maklumat binari, 0 dan 1.
Perubahan rintangan yang terhasil adalah prinsip utama untuk peranti spintronik, yang keadaan magnetnya, yang boleh dianggap sebagai maklumat yang disimpan, dikekalkan selama-lamanya. Sama seperti magnet peti sejuk tidak memerlukan kuasa untuk kekal terlekat pada pintu, peranti spintronik memerlukan kuasa yang lebih sedikit daripada elektronik konvensional.
Walau bagaimanapun, sama seperti mengeluarkan ikan dari air, maklumat putaran cepat hilang dan tidak dapat bergerak jauh apabila elektron dikeluarkan dari feromagnet. Had utama ini boleh diatasi dengan menggunakan cahaya melalui polarisasi bulatnya, juga dikenali sebagai helicity, sebagai pembawa putaran lain.
Sama seperti manusia berabad-abad yang lalu menggunakan merpati pembawa untuk mengangkut komunikasi bertulis lebih jauh dan lebih cepat daripada yang boleh dilakukan dengan berjalan kaki, silapnya adalah dengan memindahkan putaran elektron ke foto, kuantum cahaya.
Spin-LED memenuhi tiga kriteria
Kehadiran gandingan spin-orbit, yang juga bertanggungjawab untuk kehilangan maklumat putaran di luar ferromagnet, membolehkan pemindahan sedemikian mungkin. Pautan penting yang hilang kemudiannya untuk memodulasi secara elektrik kemagnetan dan dengan itu menukar heliks cahaya yang dipancarkan.
“Konsep spin-LED pada mulanya dicadangkan pada akhir abad yang lalu. Walau bagaimanapun, untuk peralihan kepada aplikasi praktikal, ia mesti memenuhi tiga kriteria penting: operasi pada suhu bilik, tidak memerlukan medan magnet, dan keupayaan untuk kawalan elektrik, "kata pengarang kajian yang sepadan, Yuan Lu, penyelidik kanan CNRS di Institut Jean Lamour.
"Selepas lebih daripada 15 tahun bekerja berdedikasi dalam bidang ini, pasukan kerjasama kami telah berjaya mengatasi semua halangan."
Para penyelidik berjaya menukar magnetisasi penyuntik putaran oleh nadi elektrik menggunakan tork orbit putaran. Putaran elektron ditukar dengan pantas kepada maklumat yang terkandung dalam heliks foton yang dipancarkan, membolehkan penyepaduan dinamik dinamik magnetisasi yang lancar dengan teknologi fotonik.
Penukaran spin-foton yang dikawal secara elektrik ini kini dicapai dalam kecerahan elektroluminesen diod pemancar cahaya. Pada masa hadapan, melalui pelaksanaan di semikonduktor diod laser, apa yang dipanggil spin-laser, pengekodan maklumat yang sangat cekap ini boleh membuka jalan kepada komunikasi pantas dalam jarak antara planet kerana polarisasi cahaya boleh dipelihara dalam perambatan angkasa, yang berpotensi menjadikannya mod komunikasi terpantas antara Bumi dan Marikh.
Ia juga akan memberi banyak manfaat kepada pembangunan pelbagai teknologi termaju di Bumi, seperti komunikasi dan pengiraan kuantum optik, pengkomputeran neuromorfik untuk kecerdasan buatan, pemancar optik yang sangat pantas dan sangat cekap untuk pusat data atau aplikasi Light-Fidelity (LiFi).
"Realisasi penyuntik putaran spin-orbit-tork adalah langkah penting yang akan memajukan pembangunan laser spin-ultrapantas dan cekap tenaga untuk komunikasi optik dan teknologi kuantum generasi akan datang," kata pengarang bersama Nils Gerhardt, profesor di Pengerusi Fotonik dan Terahertz Teknologi di Universiti Ruhr di Bochum.