В останні десятиліття дослідження спінтроніки – технології, що використовує спінові стани частинок для зберігання та обробки інформації, неухильно рухаються до нових рубежів. Нове дослідження, проведене китайськими вченими, відкриває можливість реалізації когерентного оптичного спінового ефекту Холла (OSHE) при кімнатній температурі, що може кардинально змінити наше уявлення про спинтронні пристрої.
Наукова робота була опублікована в журналі Nature Materials. Екситонні поляритони – це квантові об’єкти (рідке світло), що є суперпозицією матеріальних квазічастинок, екситонів (пов’язаних електронів і дірок) і квантів світла, фотонів, поміщених у спеціальні напівпровідникові мікрорезонатори. Ці унікальні частинки мають спінові властивості, що робить їх ідеальними кандидатами для передачі спінових струмів на великі відстані.
З моменту свого виникнення на початку XXI століття, спинтроніка привернула увагу вчених завдяки своїй здатності потенційно перевершити традиційні електронні технології. Однак через складну природу взаємодій спинів та швидку спинову релаксацію реалізація спинових обчислювальних пристроїв виявилася утрудненою. Раніше дослідження показували, що енергетичні розщеплення, пов’язані із симетрією кристалів, перешкоджають стабільному потоку чистого спінового струму.
Якщо носіями спина є поляритони, при створенні приладів слід враховувати сильне ефективне магнітне поле поляритонних мікрорезонаторах, яке швидко обертає спин поляритонів, що утруднює використання спинового струму. Однак використання надплинної поляритонної рідини, що формується в органіко-неорганічній гібридній мікропорожнині FAPbBr з ізотропною кубічною кристалічною структурою, усуває цю проблему, дозволяючи отримувати високо когерентні спінові струми. Спини в такій структурі переносяться надтекучими потоками поляритонів, що дозволяє розв’язати проблему швидкого розсіювання через теплові флуктуації, дозволяючи працювати спинтронному пристрої при кімнатній температурі.
Вчені також реалізували два інноваційні спинтронні пристрої: логічний вентиль NOT і спін-поляризований світлодільник. Логічний вентиль здатний змінювати праву кругову поляризацію спина на ліву і навпаки, а світлодільник поділяє лінійно поляризоване світло на два промені з протилежними спинами. Ці пристрої можуть працювати на надшвидкій пікосекундній шкалі часу, значно випереджаючи сучасні електричні пристрої, які працюють на наносекундній шкалі часу. Наносекунда – це одна мільярдна частка секунди, а пікосекунда ще в тисячу разів менше. Це означає, що такі спинтронні пристрої зможуть працювати в тисячу разів швидше за сучасні електронні.
Фізики здійснили як теоретичні розрахунки, і експериментальні дослідження. Теоретичні розрахунки полягали у вирішенні двокомпонентного керовано-дисипативного рівняння Шредінгера, яке описує рух поляритонів. Моделювання включало розрахунок спінових компонентів хвильової функції та вивчення впливу випадкового потенціалу на спінові стани. Це сприяло глибшому розумінню процесів, що відбуваються в потоках поляритонів і дозволило передбачити, як вони можуть бути використані в спинтронних пристроях.
Наслідком моделювання стало передбачення того, що частинки рідкого світла можуть поширюватися балістично, зберігаючи когерентний стан. Експеримент показав, що при кімнатній температурі без руйнування свого стану поляритони можуть пролетіти до 60 мікрометрів, що більш ніж достатньо для використання в спинтронних пристроях як переносників спинового струму. Підтверджено це за допомогою спостереження інтерференційних смуг.
Крім того, теоретичні розрахунки передбачали, що стан спина часток рідкого світла коливається вздовж шляху його поширення, що дозволяє керувати ним та інвертувати поляризацію за допомогою використання магнітного поля. Описаний ефект експериментально продемонстровано за допомогою лазерного збудження надплинного потоку поляритонів. Коли лінійно поляризований лазерний промінь збуджував мікрорезонатор, спінові стани поляритонів формувалися в залежності від напряму їх кутових моментів. Спостережуваний ефект дозволяє ефективно керувати напрямом спінових струмів та використовувати їх для обчислень.
“Повністю оптичні логічні схеми зможуть забезпечити високу швидкість обробки даних за низького споживання енергії, що особливо важливо в епоху великих даних та штучного інтелекту. Завдяки цьому ми можемо очікувати не тільки підвищення продуктивності сучасних обчислювальних систем, але й появи нових інноваційних додатків у галузі квантових обчислень, обробки інформації та передачі даних. Це може призвести до створення більш компактних, потужних і стійких до зовнішніх впливів пристроїв, які зможуть змінити підхід до дизайну та архітектури майбутніх комп’ютерних систем».
Дана робота є значним кроком вперед в області спинтроніки та поляритоніки. Вчені відкрили нові горизонти для практичного застосування екситонних поляритонів за кімнатної температури, що може призвести до революційних змін у технологіях, які ми використовуємо щодня.