Spintransistori

Tutkin Regensburgin yliopistossa spinin kuljetusilmiöitä yhdessä kokeellisen porukan kanssa. Tämä tutkimus julkaistiin nyt Science-lehdessä (20.7.2012). Samassa numerossa on professori Igor Žutić asiantunteva arvio tutkimuksestamme. Paperin fysiikka on eleganttia ja tulokset ovat niin lupaavia, että tästä voi kehittyä jotain käytännönläheisiä sovelluksia. Tie oli kuitenkin pitkä ja paljon oli myös mutkia matkassa ennen kuin tähän pisteeseen päästiin. Koko juttu alkoi oikeastaan jo 9 vuotta sitten kun Regensburgin kokeellisen porukan professori Weiss mietti yhdessä Varsovan puolijohdeteknologian keskuksen professori Wojtowiczin kanssa uuteen lupaavaan puolijohdemateriaaliin kadmiumtelluridiin perustuvia kokeita. Wojtowicz teki ryhmässään erinomaisia koepaloja ja Weissin ryhmän jatko-opiskelija Christian Betthausen rakensi koepalojen päälle Weissin idean mukaisesti pienistä magneeteistä muodostuvan ritilän ja mittasi elektronivirran rakenteen poikki. He havaitsivat hienon signaalin, mutta eivät pystyneet tulkitsemaan mistä se johtui.

Tässä vaiheessa oltiin kun tulin itse Regensburgiin. Kokeilijat juttelivat teoriaryhmän proffan Klaus Richterin kanssa ja hän ehdotti minulle, että ottaisin projektiksi tulosten tulkinnan. Sain Richterin jatko-opiskelijan Tobias Dollingerin avuksi tässä hommassa. Teimme kokeista teoreettisen mallin ja suunnittelimme ohjelman, joka laski elektronivirran. Mielenkiinnon kohteena oli spiniin eli elektronin sisäiseen magneettiseen momenttiin liittyvät ilmiöt. Spinin takia elektronit käyttäytyvät kuin pienet sauvamagneetit ja pitkään on spekuloitu, että spiniin liittyviä ilmiöitä voisi käyttää hyväksi uudenlaisten puolijohdekomponenttien suunnittelussa. Nykyisin käytetyt transistorit esim. tietokoneissa ja puhelimissa ovat saavuttamassa evoluutionsa päätepisteen ja tarvitaan uusia fysikaalisia prosesseja, että kehitys kehittyisi. Jos nykyisiä transistoreja koetetaan saada nopeammiksi, laite ahmii virtaa ja syntyy niin paljon hukkalämpöä, että ylikuumeneminen on ongelma. Nykyisillä tekniikoilla ollaan kuitenkin vielä hyvin kaukana fysiikan määräämistä teoreettisista maksiminopeuksista, joten spiniin perustuvista tekniikoista voi tulla kilpailukykyisiä, kunhan niitä kehitetään.

Kokeellisten mittausten mallinnuksessa ongelmaksi muodostui alussa se, että emme saaneet ollenkaan mitään kokeisiin verrattavia tuloksia. Etsimme piikkiä konduktanssissa, mutta mitään sellaista ei löytynyt laskuissa. Sitten jossain vaiheessa hiusten repimisen jälkeen Christian mainitsi, että tuo hieno signaali voi kyllä toisaalta olla huonon liitännän aiheuttama valesignaali. Keskityin sitten erääseen toiseen lupaavan näköiseen signaaliin. Mallinnuksessa havaitsin ilmiön, että jos magneettikentät kokeissa olivat sopivasti viritettyjä, spin-polarisoitu virta koepalassa olisi kytkeytynyt pois päältä. Laskin magneettiritilän aiheuttaman magneettikentän profiilin koepalassa ja vertasin näitä tuloksia tähän toiseen signaaliin kokeissa. Vastaavuus oli erittäin hyvä. Tämä oli lupaavaa. Tarvittiin vielä fysikaalinen selitys. Numeeristen laskujen ohjaamana päädyin viimein varsin yksinkertaiseen selitykseen. Kyseessä oli uudenlainen spintransistoriefekti, jolla elektronivirtaa voi ohjailla spin-kytkennän avulla. Efekti perustuu siihen, että kvanttitiloilla on ikään kuin inertiaa (hitautta), mikä vastustaa ulkopuolisia muutosvoimia. Spiniä voi ohjailla hitaasti muuttuvan magneettikentän avulla, mutta spin-virran pystyy kytkemään pois päältä muodostamalla spiniä ohjaavan magneettikentän suuntaan ikään kuin taitoksen. Taitoksen kohdalla elektroni ohjautuu kiellettyyn energiatilaan inertiansa takia ja kimpoaa takaisin, jolloin spin-polarisoitu virta on kytkeytynyt pois päältä. Lehdistötiedotteessa vertasimme tätä siihen, että jos tie on loivasti mutkitteleva nopea urheiluauto pysyy hyvin tiellä, mutta jos tiehen tulee äkkijyrkkä mutka auto ei pysty seuraamaan tietä nopealla vauhdilla vaan ajaa ulos. Edellinen vastaa transistorin ”päällä”-asentoa ja jälkimmäinen transistorin ”pois päältä”-asentoa.

Igor Žutić arvosti työssämme erityisesti sitä, että paperissa esitimme sekä uuden spintransistorin teorian että vakuuttavat koetulokset. Eräs toinen spintransistorin toimintaperiaate esitettiin teoriassa jo vuonna 1990, mutta kokeellinen viite siitä, että periaate saattaa toimia saatiin vasta pari vuotta sitten. Meidän paperissa signaalin suuruus on luokkaa 10% ja se on huomattavasti suurempi kuin tällä toisella prototyypillä. Ihan heti ei ole kuitenkaan odotettavissa mitään spintransistoreita kaupan hyllyille. Kokeet jouduttiin tällä materiaalilla tekemään hyvin alhaisessa lämpötilassa, joten se ei ole vielä mikään käytännöllinen laite. Materiaaleja ja designia joudutaan siis vielä kehittämään. Löytämäni spintransistorin toimintaperiaate on kuitenkin hyvin intuitiivinen ja sovellettavissa eri tilanteisiin, joten spin-pohjaisen elektroniikan (eli spintroniikan) tutkimus saa tästä ainakin lisää vauhtia.

Tässä vielä asiasta kiinnostuneille likaisia yksityiskohtia: Löytämäni transistorimekanismi kulkee tarkemmalla nimellä adiabaattinen spintransistori. Adiabaattisuus ei tässä yhteydessä viittaa adiabaattisuuteen termodynamiikassa vaan kvanttimekaniikan adiabaattiseen teoreemaan. Spinin yhteydessä adiabaattisuus tarkoittaa sitä, että jos elektronin spinin suuntaa muutetaan hitaasti ohjaavan magneettikentän avulla spini seuraa magneettikentän suuntaa. Jos magneettikenttä muuttuu nopeasti spini ei pysty seuraamaan magneettikenttää vaan alkaa pyöriä holtittomasti. Elektronin aaltofunktio siirtyy energiatilaan, joka on kielletty ja elektronin todennäköisyys läpäistä systeemi on käytännössä olematon. Hitaasti on tässä yhteydessä tietenkin suhteellinen käsite. Kokeissa aikaskaalat ovat paljon lyhyempiä kuin sekunnin miljardisosa.

Aikaisemmin spintransistorin toimintamekanismia on yritetty saada aikaan pyörittämällä spiniä spin-rata-vuorovaikutuksen avulla. Spin-rata-vuorovaikutuksen lähde on puolijohderakenteissa samantyyppinen kuin atomeiden maailmassa. Atomien tapauksessa ydin aiheuttaa elektroniin sähkökentän kun elektroni kiertää ydintä, mutta jos tarkastelija laitettaisiin ratsastamaan elektronin selässä, hän näkisi ytimen pyörivän itsensä ympäri. Sähködynamiikan perusteiden mukaan tällöin ytimen muuttuva sähkökenttä indusoi Maxwellin lain mukaan magneettikentän elektronin kohdalle. Tämä magneettikenttä kytkeytyy elektronin sisäiseen magneettiseen momenttiin, eli spiniin, ja sitä kautta spiniä voidaan pyörittää. Idean ongelmana on se, että puolijohderakenteissa on välttämättä epäpuhtauksia joista elektronit kimpoavat aiheuttaen muutoksia elektronien rataan ja sitä kautta siihen kulmaan, mihin elektronin spini lopulta pyörähtää. Jos yksittäiset spinit päätyvät tämän takia sattumanvaraisiin suuntiin, kaikkien spinien kokonaisvaikutus katoaa. Adiabaattisen spintransistorin kohdalla tämä ongelma vältetään, koska periaatteessa ei ole väliä mitä reittiä elektronit menevät paikasta toisteen ja kuinka monta kertaa ne kimpoavat epäpuhtauksista. Kaikki spinit seuraavat aina kiltisti magneettikenttää adiabaattisuuden takia.

Mainittakoon, että adiabaattisuuden saavuttamiseksi mittauksissa koepala täytyy kylmentää lämpötilaan, joka on vain noin 0.1 astetta yli absoluuttisen nollapisteen (0.1 Kelviniä). Tämän saavuttamiseksi koepalat laitettiin laimennusjäähdyttimeen, joka toimii kahden nestemäisen heliumin isotoopin helium-3:n ja helium-4:n sekoituksella. Tässä ei ole vielä mitään kovin uutta. Tekniikka kehitettiin jo 1960-luvulla ja siitä on tullut matalien lämpötilojen fysiikan peruslaitteistoja. Uusi asia kokeissa oli se, että Wojtowiczin kadmiumtelluridiin perustuvissa koepaloissa elektronien spin kytkeytyi vahvasti magneettikenttään, koska puolijohderakenteeseen tehtyyn kvanttikaivoon laitettiin hiukan mangaaniatomeita. Ne toimivat kvanttikaivossa magneettien tavoin, mikä vahvistaa kytkentää spiniin ja adiabaattisuus saavutetaan. Periaatteessa nesteheliumin lämpötilat ovat kyseisillä materiaaleilla mahdollisia, mutta korkeampaan lämpötilaan siirtyminen vaatisi kokonaan toisenlaiset materiaalit tai koejärjestelyt. Harvapa meistä haluaa, että tietokone pitäisi upottaa valtavaan sammiolliseen nesteheliumia, joten käytännön sovellusten kannalta teknisissa ratkaisuissa on vielä kehittämisen varaa.

Advertisements

2 responses to “Spintransistori

  1. Oho. Huomasin tän vasta nyt…. Nyt on varmaan fysiikan noobeli plakkarissa?

Kommentointi on suljettu.