پیچش کوانتومی: در اولین انتقال اسپینی بدون آهنربا در گرافن به دست آمد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تیمی از محققان برای اولین بار موفق به تولید و شناسایی جریان‌های اسپینی در گرافن بدون استفاده از هیچ میدان مغناطیسی خارجی شده‌اند و با موفقیت به یک چالش دیرینه در فیزیک پرداخته‌اند. این پیشرفت می‌تواند نقش مهمی در تکامل دستگاه‌های کوانتومی نسل بعدی ایفا کند.
جریان‌های اسپینی ویژه، عنصر کلیدی در اسپینترونیک هستند، نوع جدیدی از فناوری که به جای بار الکتریکی، از اسپین الکترون‌ها برای حمل اطلاعات استفاده می‌کند. اسپینترونیک نوید دستگاه‌های فوق سریع و با بهره‌وری انرژی فوق‌العاده نسبت به الکترونیک امروزی را می‌دهد، اما عملی کردن آن در مواد کاربردی مانند گرافن دشوار بوده است.
طلیعه غیاثی، محقق ارشد و دانشجوی پسادکتری در دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft) در هلند، گفت: «به طور خاص، تشخیص جریان‌های اسپین کوانتومی در گرافن همیشه نیازمند میدان‌های مغناطیسی بزرگی بوده است که عملاً ادغام آنها روی تراشه غیرممکن است.»
با این حال، غیاثی و تیمش در آخرین مطالعه خود نشان داده‌اند که با قرار دادن گرافن روی یک ماده مغناطیسی با دقت انتخاب شده، می‌توانند جریان‌های اسپین کوانتومی را بدون آهنربا تحریک و کنترل کنند. این کشف می‌تواند راه را برای مدار‌های فوق نازک مبتنی بر اسپین هموار کند و به پر کردن شکاف بین الکترونیک و فناوری‌های کوانتومی آینده کمک کند.
دستیابی به اثر هال دوگانه در گرافن
برای درک اینکه چه چیزی این تحقیق را خاص می‌کند، لازم است بدانید که این تیم در تلاش برای ایجاد اثر اسپین کوانتومی هال (QSH) بود. این حالت خاصی است که در آن الکترون‌ها فقط در امتداد لبه‌های یک ماده حرکت می‌کنند و اسپین‌های آنها در یک جهت قرار دارد.
این حرکت روان است و توسط نقص‌های کوچک پراکنده نمی‌شود، سناریویی رویایی برای ساخت مدار‌های کارآمد و کم‌مصرف. با این حال، تاکنون، نشان دادن این اثر در گرافن نیازمند اعمال میدان‌های مغناطیسی قوی بود.
محققان به جای اینکه گرافن را مجبور کنند با آهنربا رفتار متفاوتی داشته باشد، رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند. آنها یک ورق گرافن را روی یک ماده مغناطیسی لایه‌ای به نام کروم تیوفسفات (CrPS₄) قرار دادند. این ماده به طور طبیعی از طریق آنچه دانشمندان اثرات مجاورت مغناطیسی می‌نامند، بر الکترون‌های مجاور تأثیر می‌گذارد.
اثر هال غیرعادی غیرمنتظره
وقتی گرافن روی CrPS₄ قرار می‌گیرد، الکترون‌های آن شروع به احساس دو نیروی کلیدی می‌کنند؛ جفت شدن اسپین-مدار (که حرکت الکترون را به اسپین آن مرتبط می‌کند) و برهمکنش تبادلی (که جهت‌های اسپینی خاصی را ترجیح می‌دهد). این نیرو‌ها یک شکاف انرژی در ساختار گرافن ایجاد می‌کنند و منجر به ظهور حالت‌های رسانای لبه‌ای می‌شوند که نشانه‌ای از اثر QSH است.
محققان تأیید کردند که جریان‌های اسپینی در امتداد لبه‌های گرافن جریان دارند و حتی در صورت وجود نقص‌های کوچک، در فواصل ده‌ها میکرومتری پایدار می‌مانند.
آنها همچنین متوجه چیزی غیرمنتظره، یعنی اثر غیرعادی هال (AH)، شدند که در آن الکترون‌ها حتی بدون میدان مغناطیسی خارجی به طرفین منحرف می‌شوند. برخلاف اثر QSH که در دما‌های پایین (کرایوژنیک) مشاهده کردند، این رفتار غیرعادی حتی در دمای اتاق نیز ادامه داشت.
نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: «تشخیص حالت‌های QSH در میدان مغناطیسی خارجی صفر، همراه با سیگنال AH که تا دمای اتاق ادامه می‌یابد، مسیر را برای کاربرد‌های عملی گرافن مغناطیسی در مدار‌های اسپینترونیک کوانتومی باز می‌کند.»
پتانسیل عظیم جریان‌های اسپینی
جریان‌های اسپینی پایدار و از نظر توپولوژیکی محافظت‌شده می‌توانند برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی‌تر، و احتمالاً اتصال کیوبیت‌ها در رایانه‌های کوانتومی آینده، مورد استفاده قرار گیرند. آنها همچنین دریچه‌ای به سوی حافظه‌های فوق‌نازک و مدار‌های منطقی باز می‌کنند که خنک‌تر و کارآمدتر از دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون امروزی عمل می‌کنند.
غیاثی گفت: «این جریان‌های اسپینیِ محافظت‌شده از نظر توپولوژیکی در برابر اختلالات و نقص‌ها مقاوم هستند و همین امر آنها را حتی در شرایط ناقص نیز قابل اعتماد می‌کند.