นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้พัลส์ไฟฟ้าเพื่อจัดการข้อมูลแม่เหล็กให้เป็นสัญญาณแสงโพลาไรซ์ การค้นพบที่สามารถปฏิวัติการสื่อสารโทรคมนาคมด้วยแสงในระยะไกล รวมถึงระหว่างโลกและดาวอังคาร
ความก้าวหน้าดังกล่าวได้อธิบายไว้ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติเกี่ยวข้องกับสาขาสปินทรอนิกส์ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อควบคุมการหมุนของอิเล็กตรอนเพื่อจัดเก็บและประมวลผลข้อมูล
นักวิจัยใช้พัลส์ไฟฟ้าเพื่อถ่ายโอนข้อมูลการหมุนจากอิเล็กตรอนไปยังโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ประกอบเป็นแสง ทำให้สามารถส่งข้อมูลไปได้ไกลด้วยความเร็วสูง วิธีการของพวกเขาตรงตามเกณฑ์ที่สำคัญสามประการ ได้แก่ การทำงานที่อุณหภูมิห้อง ไม่จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็ก และความสามารถในการควบคุมไฟฟ้า และเปิดประตูสู่การใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการสื่อสารที่รวดเร็วเป็นพิเศษและเทคโนโลยีควอนตัม
“เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่เราฝันถึงและทำนายอุปกรณ์สปินโทรนิกที่อุณหภูมิห้องที่นอกเหนือไปจากความต้านทานสนามแม่เหล็กและเป็นเพียงการจัดเก็บข้อมูล ด้วยการค้นพบของทีมนี้ ความฝันของเราก็กลายเป็นความจริง” Igor Žutić ศาสตราจารย์พิเศษด้านฟิสิกส์ของ SUNY แห่งมหาวิทยาลัยบัฟฟาโล ผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าว
การศึกษานี้นำโดยสถาบัน Jean Lamour ซึ่งเป็นหน่วยงานร่วมของศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติของฝรั่งเศส (CNRS) และมหาวิทยาลัย Lorraine ผู้ร่วมให้ข้อมูลคนอื่นๆ เป็นตัวแทนของมหาวิทยาลัยและสถาบันในฝรั่งเศส เยอรมนี ญี่ปุ่น จีน และสหรัฐอเมริกา
อุปกรณ์ Spintronic สามารถทดแทนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปได้
ในสปินทรอนิกส์ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จในฮาร์ดไดรฟ์คอมพิวเตอร์แบบแม่เหล็ก ข้อมูลจะถูกแสดงโดยการหมุนของอิเล็กตรอน และทิศทางของการดึงดูดด้วยพร็อกซี
เฟอร์โรแมกเนติก เช่น เหล็กหรือโคบอลต์ มีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากัน โดยที่การหมุนจะหมุนไปตามแกนหรือตรงข้ามกับแกนแม่เหล็ก อิเล็กตรอนที่มีการหมุนไปตามสนามแม่เหล็กจะเคลื่อนที่อย่างราบรื่นผ่านเฟอร์โรแมกเนติก ในขณะที่อิเล็กตรอนที่มีทิศทางการหมุนตรงกันข้ามจะเด้งไปรอบๆ นี่แสดงถึงข้อมูลไบนารี 0 และ 1
การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดขึ้นเป็นหลักการสำคัญสำหรับอุปกรณ์สปินโทรนิกซึ่งมีสถานะแม่เหล็กซึ่งถือได้ว่าเป็นข้อมูลที่เก็บไว้จะถูกคงไว้อย่างไม่มีกำหนด เช่นเดียวกับแม่เหล็กติดตู้เย็นที่ไม่ต้องการพลังงานเพื่อติดอยู่ที่ประตู อุปกรณ์ Spintronic ก็ใช้พลังงานน้อยกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมาก
อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการนำปลาขึ้นจากน้ำ ข้อมูลการหมุนจะหายไปอย่างรวดเร็วและไม่สามารถเดินทางได้ไกลเมื่อนำอิเล็กตรอนออกจากแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเน็ต ข้อจำกัดสำคัญนี้สามารถเอาชนะได้โดยการใช้แสงผ่านโพลาไรเซชันแบบวงกลมหรือที่เรียกว่าเฮลิซิตี้ในฐานะตัวพาสปินอีกตัวหนึ่ง
เช่นเดียวกับที่มนุษย์เมื่อหลายศตวรรษก่อนใช้นกพิราบพาหะเพื่อขนส่งการสื่อสารที่เป็นลายลักษณ์อักษรได้ไกลและเร็วกว่าการเดินเท้า เคล็ดลับก็คือการถ่ายโอนการหมุนของอิเล็กตรอนไปยังภาพถ่าย ซึ่งเป็นควอนตัมของแสง
Spin-LED มีคุณสมบัติตรงตามเกณฑ์สามประการ
การมีอยู่ของข้อต่อแบบหมุน-วงโคจร ซึ่งรับผิดชอบต่อการสูญเสียข้อมูลการหมุนภายนอกเฟอร์โรแมกเนติก ทำให้การถ่ายโอนดังกล่าวเป็นไปได้ จุดเชื่อมต่อที่สำคัญที่ขาดหายไปคือการปรับการดึงดูดด้วยไฟฟ้าและด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนความรวดเร็วของแสงที่ปล่อยออกมา
“แนวคิดของ spin-LED ถูกเสนอครั้งแรกเมื่อปลายศตวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม สำหรับการเปลี่ยนไปสู่การใช้งานจริงนั้น จะต้องเป็นไปตามเกณฑ์ที่สำคัญ 3 ประการ ได้แก่ การทำงานที่อุณหภูมิห้อง ไม่จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็ก และความสามารถในการควบคุมไฟฟ้า” หยวน หลู่ นักวิจัยอาวุโส CNRS ของการวิจัยกล่าว สถาบันฌอง ลามูร์
“หลังจากทุ่มเททำงานด้านนี้มากว่า 15 ปี ทีมงานที่ทำงานร่วมกันของเราก็สามารถเอาชนะอุปสรรคทั้งหมดได้สำเร็จ”
นักวิจัยประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนการทำให้เป็นแม่เหล็กของหัวฉีดสปินด้วยพัลส์ไฟฟ้าโดยใช้แรงบิดของวงโคจรหมุน การหมุนของอิเล็กตรอนจะถูกแปลงอย่างรวดเร็วเป็นข้อมูลที่มีอยู่ในความเร่งของโฟตอนที่ปล่อยออกมา ช่วยให้สามารถบูรณาการไดนามิกของสนามแม่เหล็กเข้ากับเทคโนโลยีโทนิคได้อย่างราบรื่น
การแปลงสปินโฟตอนที่ควบคุมด้วยไฟฟ้านี้สามารถทำได้ในอิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์ของไดโอดเปล่งแสง ในอนาคตผ่านการนำไปปฏิบัติใน สารกึ่งตัวนำ เลเซอร์ไดโอดหรือที่เรียกว่าสปินเลเซอร์ การเข้ารหัสข้อมูลที่มีประสิทธิภาพสูงนี้สามารถปูทางสำหรับการสื่อสารที่รวดเร็วเหนือระยะทางระหว่างดาวเคราะห์ เนื่องจากโพลาไรเซชันของแสงสามารถอนุรักษ์ไว้ในการแพร่กระจายของอวกาศ ซึ่งอาจทำให้มันกลายเป็นโหมดการสื่อสารที่เร็วที่สุดระหว่างโลกและดาวอังคาร
นอกจากนี้ ยังจะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงต่างๆ บนโลก เช่น การสื่อสารและการคำนวณควอนตัมเชิงแสง การประมวลผลแบบนิวโรมอร์ฟิกสำหรับปัญญาประดิษฐ์ เครื่องส่งสัญญาณแบบแสงที่เร็วเป็นพิเศษและประสิทธิภาพสูงสำหรับศูนย์ข้อมูล หรือแอปพลิเคชัน Light-Fidelity (LiFi)
"การตระหนักถึงหัวฉีดสปินแบบหมุนวงโคจรแรงบิดเป็นขั้นตอนชี้ขาดที่จะพัฒนาการพัฒนาเลเซอร์สปินแบบเร็วและประหยัดพลังงานอย่างมากสำหรับการสื่อสารด้วยแสงและเทคโนโลยีควอนตัมรุ่นต่อไป" ผู้ร่วมเขียน Nils Gerhardt ศาสตราจารย์กล่าว ที่เก้าอี้ของ Photonics และ Terahertz เทคโนโลยี ที่มหาวิทยาลัยรูห์รในเมืองโบคุม