|
Передача спиновой информации с Земли на Марс
|
|
|
|
Ученые использовали электрические импульсы для преобразования магнитной информации в поляризованный световой сигнал - открытие, которое может революционизировать оптические телекоммуникации на большие расстояния, в том числе между Землей и Марсом. Прорыв, описанный в исследовании, опубликованном в журнале Nature, связан с областью спинтроники, целью которой является манипулирование спином электронов для хранения и обработки информации. Исследователи применили электрический импульс для передачи этой спиновой информации от электронов к фотонам, частицам, из которых состоит свет, что позволило передавать информацию на большие расстояния с огромной скоростью. Их метод отвечает трем важнейшим критериям — работа при комнатной температуре, отсутствие необходимости в магнитном поле и возможность электрического управления — и открывает возможности для широкого спектра применений, включая сверхбыструю связь и квантовые технологии.
|
|
|
|
"На протяжении десятилетий мы мечтали о спинтронных устройствах с комнатной температурой, которые не ограничивались магнитосопротивлением и просто хранением информации. Благодаря открытию этой команды наши мечты становятся реальностью", - говорит соавтор исследования Игорь Жутич, заслуженный профессор физики SUNY в Университете Буффало. Исследование проводилось Институтом Жана Ламура, совместным подразделением Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Университета Лотарингии. Другие авторы представляют университеты и институты Франции, Германии, Японии, Китая и Соединенных Штатов. В спинтронике, которая успешно используется в магнитных жестких дисках компьютеров, информация представлена спином электрона и, как следствие, направлением намагниченности. Ферромагнетики, такие как железо или кобальт, имеют неодинаковое число электронов, спины которых ориентированы либо вдоль оси намагничивания, либо против нее. Электроны, вращающиеся вдоль оси намагничивания, плавно перемещаются по ферромагнетику, в то время как электроны с противоположной ориентацией спина отскакивают друг от друга. Это представляет собой двоичную информацию, 0 и 1.
|
|
|
Результирующее изменение сопротивления является ключевым принципом для устройств спинтроники, магнитное состояние которых, которое можно рассматривать как сохраненную информацию, сохраняется бесконечно. Точно так же, как магниту на холодильник не требуется питание, чтобы оставаться прикрепленным к дверце, устройствам спинтроники требуется гораздо меньше энергии, чем обычной электронике. Однако, подобно извлечению рыбы из воды, информация о вращении быстро теряется и не может распространяться далеко, когда электроны удаляются из ферромагнетика. Это основное ограничение можно преодолеть, используя свет с его круговой поляризацией, также известной как спиральность, в качестве другого носителя вращения. Подобно тому, как столетия назад люди использовали почтовых голубей для передачи письменных сообщений дальше и быстрее, чем это можно было бы сделать пешком, хитрость заключалась бы в том, чтобы передать спин электрона фотографиям, кванту света.
|
|
|
|
Наличие спин-орбитальной связи, которая также ответственна за потерю спиновой информации за пределами ферромагнетика, делает такой перенос возможным. Ключевым недостающим звеном является электрическая модуляция намагниченности и, таким образом, изменение спиральности излучаемого света. "Концепция спин-светодиодов была впервые предложена в конце прошлого века. Однако для практического применения он должен соответствовать трем важнейшим критериям: работа при комнатной температуре, отсутствие необходимости в магнитном поле и возможность электрического управления", - говорит автор исследования Юань Лу, старший научный сотрудник CNRS в Институте Жана Ламура. "После более чем 15-летней самоотверженной работы в этой области наша сплоченная команда успешно преодолела все препятствия". Исследователи успешно переключили намагничивание спинового инжектора с помощью электрического импульса, используя вращающий момент спин-орбита. Спин электрона быстро преобразуется в информацию, содержащуюся в спиральности испускаемых фотонов, что позволяет полностью интегрировать динамику намагничивания с фотонными технологиями.
|
|
|
|
Это электрически управляемое преобразование спин-фотонов в настоящее время достигается при электролюминесценции светодиодов. В будущем, благодаря внедрению в полупроводниковые лазерные диоды, так называемые спин-лазеры, это высокоэффективное кодирование информации может проложить путь к быстрой связи на межпланетные расстояния, поскольку поляризация света может быть сохранена при распространении в космосе, что потенциально сделает его самым быстрым способом связи между Землей и Марсом. Это также принесет большую пользу развитию различных передовых технологий на Земле, таких как оптическая квантовая связь и вычисления, нейроморфные вычисления для искусственного интеллекта, сверхбыстрые и высокоэффективные оптические передатчики для центров обработки данных или приложения с высокой точностью измерения освещенности (LiFi). "Создание спиновых инжекторов со спин-орбитальным вращением - это решающий шаг, который значительно продвинет разработку сверхбыстрых и энергоэффективных спиновых лазеров для следующего поколения оптических коммуникационных и квантовых технологий", - говорит соавтор Нильс Герхардт, профессор кафедры фотоники и терагерцовых технологий в Университете Калифорнии. Рурский университет в Бохуме.
|
|
|
|
Источник
|
