Các nhà khoa học đã sử dụng các xung điện để điều khiển thông tin từ tính thành tín hiệu ánh sáng phân cực, một khám phá có thể cách mạng hóa viễn thông quang học đường dài, bao gồm cả giữa Trái đất và Sao Hỏa.
Bước đột phá được mô tả trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Thiên nhiên, liên quan đến lĩnh vực điện tử học spin, nhằm mục đích điều khiển spin của các điện tử để lưu trữ và xử lý thông tin.
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng một xung điện để truyền thông tin spin này từ electron sang photon, các hạt tạo nên ánh sáng, cho phép thông tin được truyền đi khoảng cách rất xa với tốc độ lớn. Phương pháp của họ đáp ứng ba tiêu chí quan trọng—hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần từ trường và khả năng điều khiển điện—và mở ra cánh cửa cho một loạt ứng dụng, bao gồm cả công nghệ lượng tử và truyền thông cực nhanh.
“Trong nhiều thập kỷ, chúng tôi đã mơ ước và dự đoán các thiết bị điện tử spin ở nhiệt độ phòng vượt ra ngoài điện trở từ và chỉ lưu trữ thông tin. Với khám phá của nhóm này, giấc mơ của chúng tôi sẽ trở thành hiện thực,” đồng tác giả của nghiên cứu, Igor Žutić, Giáo sư vật lý xuất sắc của SUNY tại Đại học Buffalo, cho biết.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Viện Jean Lamour, một đơn vị chung của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) và Đại học Lorraine. Những người đóng góp khác đại diện cho các trường đại học và viện nghiên cứu ở Pháp, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc và Hoa Kỳ.
Các thiết bị Spintronic có thể thay thế các thiết bị điện tử thông thường
Trong điện tử học spin, đã được sử dụng thành công trong các ổ cứng máy tính từ tính, thông tin được biểu diễn bằng spin electron và bằng proxy của nó, hướng từ hóa.
Sắt từ, chẳng hạn như sắt hoặc coban, có số lượng electron không bằng nhau có spin được định hướng dọc hoặc ngược với trục từ hóa. Các electron có spin dọc theo từ hóa di chuyển trơn tru qua một chất sắt từ, trong khi những electron có hướng spin ngược lại sẽ bị dội ngược lại. Điều này thể hiện thông tin nhị phân, 0 và 1.
Sự thay đổi điện trở là nguyên lý then chốt của các thiết bị điện tử spin, có trạng thái từ tính, có thể được coi là thông tin được lưu trữ, được duy trì vô thời hạn. Giống như nam châm tủ lạnh không cần nguồn điện để vẫn dính vào cửa, các thiết bị điện tử spin sẽ cần ít năng lượng hơn nhiều so với các thiết bị điện tử thông thường.
Tuy nhiên, giống như việc đưa một con cá ra khỏi nước, thông tin về spin nhanh chóng bị mất đi và không thể truyền đi xa khi các electron bị lấy ra khỏi nam châm sắt từ. Hạn chế lớn này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng ánh sáng thông qua sự phân cực tròn của nó, còn được gọi là độ xoắn, như một chất mang spin khác.
Giống như con người cách đây nhiều thế kỷ đã sử dụng chim bồ câu đưa thư để vận chuyển thông tin bằng văn bản đi xa hơn và nhanh hơn so với việc đi bộ, thủ thuật sẽ là chuyển spin electron sang ảnh, lượng tử ánh sáng.
Đèn LED xoay đáp ứng ba tiêu chí
Sự hiện diện của khớp nối quỹ đạo quay, cũng là nguyên nhân gây ra sự mất thông tin spin bên ngoài nam châm sắt, khiến cho việc truyền tải như vậy có thể thực hiện được. Khi đó, liên kết quan trọng còn thiếu là điều chỉnh từ hóa bằng điện và do đó làm thay đổi độ tự động của ánh sáng phát ra.
“Khái niệm về đèn LED xoay ban đầu được đề xuất vào cuối thế kỷ trước. Tuy nhiên, để chuyển sang ứng dụng thực tế, nó phải đáp ứng ba tiêu chí quan trọng: hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần từ trường và khả năng điều khiển điện”, tác giả tương ứng của nghiên cứu, Yuan Lu, nhà nghiên cứu cấp cao của CNRS tại Viện Jean Lamour.
“Sau hơn 15 năm làm việc tận tâm trong lĩnh vực này, đội ngũ cộng tác của chúng tôi đã chinh phục thành công mọi trở ngại.”
Các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi thành công từ hóa của kim phun quay bằng một xung điện sử dụng mô-men xoắn quỹ đạo quay. Spin của electron nhanh chóng được chuyển đổi thành thông tin chứa trong độ tự động của các photon phát ra, cho phép tích hợp liền mạch động lực từ hóa với các công nghệ quang tử.
Sự chuyển đổi spin-photon được điều khiển bằng điện này hiện đã đạt được trong quá trình phát quang điện của điốt phát sáng. Trong thời gian tới, thông qua việc triển khai bán dẫn điốt laser, hay còn gọi là laser spin, mã hóa thông tin hiệu quả cao này có thể mở đường cho việc liên lạc nhanh chóng trên khoảng cách giữa các hành tinh vì sự phân cực của ánh sáng có thể được bảo toàn trong quá trình truyền lan trong không gian, có khả năng biến nó thành phương thức liên lạc nhanh nhất giữa Trái đất và Sao Hỏa.
Nó cũng sẽ mang lại lợi ích to lớn cho sự phát triển của các công nghệ tiên tiến khác nhau trên Trái đất, như truyền thông và tính toán lượng tử quang học, điện toán hình thái thần kinh cho trí tuệ nhân tạo, máy phát quang cực nhanh và hiệu quả cao cho các trung tâm dữ liệu hoặc ứng dụng Light-Fidelity (LiFi).
Đồng tác giả Nils Gerhardt, giáo sư cho biết: “Việc tạo ra các kim phun quay mô-men xoắn quỹ đạo quay là một bước quyết định sẽ thúc đẩy đáng kể sự phát triển của laser quay cực nhanh và tiết kiệm năng lượng cho thế hệ công nghệ lượng tử và truyền thông quang học tiếp theo”. tại Chủ tịch Quang tử và Terahertz Công nghệ tại Đại học Ruhr ở Bochum.