Kvanttiteknologian läpimurto: tamperelainen puolijohdeosaaminen mahdollistaa spintroniikan huoneenlämmössä

Ryhmä tutkijoita Suomesta, Ruotsista ja Japanista on kehittänyt puolijohdekomponentin, jossa tietoa voidaan vaihtaa tehokkaasti huoneenlämmössä elektronin spinin ja valon alkeishiukkasten fotonien välillä. Nature Photonics -tiedelehdessä vastikään julkaistussa artikkelissa kuvattu menetelmä perustuu spinpolarisaation vahvistamiseen kvanttipisteistä ja laimeista typpiyhdisteistä koostuvassa puolijohdenanorakenteessa, joka valmistettiin Tampereella hyödyntäen molekyylisuihkuepitaksiaa.

Perinteisessä elektroniikassa tietojenkäsittely perustuu transistorien tilojen muuttamiseen negatiivisen varauksen omaavia elektroneita siirtelemällä. Nyt kehitteillä olevat energiatehokkaammat menetelmät sen sijaan pyrkivät kvantti-ilmiöihin pohjautuvaan virrattomaan toimintaan hyödyntäen esimerkiksi fotonien kvanttitiloja tai elektronien pyörimisominaisuutta (spin).

– Elektronin voi ajatella pyörivän samalla tavalla kuin Maa pyörii oman akselinsa ympäri. Spintroniikan tieteenalalla tätä elektronien kvanttiominaisuutta käytetään tiedon tallentamiseen, käsittelyyn ja siirtämiseen. Spintroniikan merkittävimpinä etuina perinteiseen elektroniikkaan verrattuna ovat sen mahdollistamat suuremmat nopeudet sekä pienempi energiankulutus, kertoo professori Mircea Guina Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Puolijohteisiin perustuva menetelmä toimii huoneenlämmössä

Spintroniikan kehitys viime vuosikymmeninä on perustunut metallien käyttöön, mikä on mahdollistanut suurien tietomäärien tallentamisen. Puolijohteisiin perustuvalla spintroniikalla on metalleihin verrattuna useita etuja. Nykyisen elektroniikan ja fotoniikan perustana toimivien puolijohteiden avulla on mahdollista myös mullistaa spintroniikka.

– Yksi tärkeä etu on mahdollisuus muuntaa spin-tilasta saatu tieto valoksi ja päinvastoin. Teknologia tunnetaan nimellä opto-spintroniikka. Se mahdollistaisi spin-pohjaisen tietojenkäsittelyn ja tallennuksen integroinnin valon kautta tapahtuvaan tiedonsiirtoon, sanoo konsortiota johtava professori Weimin Chen ruotsalaisesta Linköpingin yliopistosta.

Nykyisin käytetty elektroniikka toimii huoneenlämmössä, mutta spintroniikan kehitystä on vaikeuttanut se, että elektronit pyrkivät vaihtamaan ja satunnaistamaan pyörimissuuntansa lämpötilan noustessa. Tämä tarkoittaa, että elektronin pyörimistiloihin koodattu informaatio menetetään tai siitä tulee epämääräistä. Puolijohdepohjaisen spintroniikan kehittämisen edellytys on saada elektronien spininformaatio säilymään huoneenlämmössä ja sitä korkeammissa lämpötiloissa. Aiemmissa tutkimuksissa suurin elektronien spinpolarisaatio, noin 60%, on saavutettu hyvin matalissa lämpötiloissa, mikä kaventaa mahdollisuuksia käytännön sovelluksiin.

Linköpingin yliopiston, Tampereen yliopiston ja Hokkaidon yliopiston tutkijat ovat nyt saavuttaneet elektroneille yli 90%:n spinpolarisaation huoneenlämmössä. Spinpolarisaatio pysyy korkealla tasolla jopa 110 °C lämpötilaan saakka.

Läpimurto perustuu opto-spintroniseen nanorakenteeseen, jonka Tampereen yliopiston tutkijat rakensivat eri puolijohdemateriaalien kerroksista. Se sisältää kvanttipisteiksi kutsuttuja nanokokoisia materiaaliryhmittymiä, joilla on samankaltaiset energiatilat kuin yksittäisillä atomeilla. Jokainen kvanttipiste on läpimitaltaan noin 10000 kertaa pienempi kuin ihmisen hius.

– Kun spinpolarisoitu elektroni siirtyy kvanttipisteeseen, se lähettää valoa – tarkemmin sanottuna, se lähettää yhden fotonin, jonka tila on elektronin spinin määrittämä. Näin elektronin spininformaatio siirtyy fotonille, joka pystyy säilyttämään sen pidempään kuin voimakkaasti vuorovaikuttava elektroni. Näin ollen kvanttipisteillä katsotaan olevan suuri potentiaali rajapintana tiedonsiirtoon elektronin pyörimisen ja valon välillä, joita tarvitaan sekä spintroniikassa, fotoniikassa että kvanttilaskennassa, Guina selvittää.

Käytännön sovelluksia kokeiltu aurinkokennoissa ja laserdiodeissa

Nyt julkaistussa tutkimuksessa tutkijat osoittivat, että kvanttipisteiden läheisyyteen valmistetulla spin-suodattimella pystytään hallitsemaan kvanttipisteiden elektronien spiniä huoneenlämmössä.

Kvanttipisteet valmistetaan indiumarsenidistä (InAs), ja galliumnitridiarsendikerros (GaNAs) toimii spin-suodattimena. Niiden väliin on asetettu kerros galliumarsenidia (GaAs), jonka läpi elektronit tunneloituvat. Vastaavia materiaaleja käytetään jo galliumarsenidiin perustuvassa optoelektronisessa tekniikassa, ja tutkijat uskovat, että tämä voi helpottaa spintroniikan integrointia jo olemassa oleviin elektronisiin ja fotonisiin komponentteihin.

– Olemme iloisia siitä, että kehittämämme typpipitoiset puolijohteet ovat nyt määrittämässä spintroniikan uusia rajoja. Samoja materiaaleja voidaan käyttää optoelektronisissa komponenteissa ja laitteissa, kuten esimerkiksi korkean hyötysuhteen aurinkokennoissa ja laserdiodeissa. Jatkamme innoissamme fotoniikan ja spintroniikan yhdistämistä käyttäen valo- ja spin-pohjaisen kvanttiteknologian yhdistävää yhteistä puolijohdealustaa, kertoo Mircea Guina.

 – Onnistuimme valmistamaan spin-optimoidun nanorakenteen, sillä olemme pitkäjänteisesti ja määrätietoisesti panostaneet puolijohdenanorakenteiden valmistuksen tarkkaan hallintaan sekä niiden ominaisuuksien syvälliseen ymmärtämiseen. Meille on tärkeää olla osaltamme tekemässä Suomesta tulevaisuuden kvanttiteknologian kärkimaata, painottaa Guina.

Tutkimusta ovat rahoittaneet muun muassa Ruotsin tutkimusneuvosto, Ruotsin kansainvälisen tutkimuksen ja korkeakoulutuksen säätiö (STINT), Linköpingin yliopiston strateginen tutkimusalue Advanced Functional Materials, Euroopan tutkimusneuvoston ERC, Suomen Akatemia ja Japanin tieteiden edistämissäätiö.

Tutustu tarkemmin Y. Huang et al. tutkimukseen “Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering” Nature Photonics -tiedejulkaisussa.

Klikkaa ja lue lisätietoja Tampereen yliopiston Optoelektroniikan tutkimuskeskuksen toiminnasta.