هدف اسپین‌ترونیک ساخت قطعاتی است که اطلاعات در آن توسط اسپین الکترون ،بجای بار آن‌، حمل می‌شوند. مابقیِ جستجو و تلاش، برای یافتن موادی صرف می‌شود که در آن‌ها الکترون‌ها در حالت اسپینی یکسانی قرار دارند. براساس پژوهشی که فابریزیو نیشل (Fabrizio Nichele) از دانشگاه کپنهاگ در دانمارک و همکارانش به انجام رسانده‌اند یک انتخاب امیدبخش برای چنان قطعاتی، انباشته‌ای از دو نانولایه‌ی نیمه‌رسانا است. این تیم دریافته‌اند که تقریباً ۱۰۰ درصد الکترون‌های رسانشی در این قطعه‌‌ی ترکیبی ( کامپوزیتی)، اسپین خود را در حالت کوانتومی یکسانی قرار می‌دهند؛ حالتی با قطبش اسپینی بیش از ۵ برابر بیشتر از آن‌چه توسط تک‌تک لایه‌های نیم‌ رسانا نشان داده شده است.

این پژوهش‌گران دو «چاه کوانتومی» به ضخامت ۵ نانومتر از جنس گالیوم آنتیموناید بر روی لایه‌ی ضخیم‌تری از ایندیوم آرسناید را بین دو لایه‌ی عایق ساندویچ کرده‌اند. هردوی این نیم‌رساناها حاوی عناصر سنگین هستند که باعث می‌شود اثر اسپین-مدار که جهت اسپین یک الکترون را به اندازه حرکتش پیوند می‌دهد، افزایش یابد. این اثر موجب می‌شود تا الکترون‌های بیشتری در یک اسپین قرار گیرند اما این قطبشِ اسپینی در بسیاری از نیم‌رساناها (شامل گالیوم آنتیمناید) در حدود ۲۰ درصد به نقطه‌ی اوج خود می‌رسد.

این تیم به شکل تجربی و با استفاده از شبیه‌سازی این موضوع را به اثبات رسانده‌اند که اگر انرژی نوار رسانش در لایه‌ی گالیوم آنتیمناید را به بالاتر از نوار رسانش در لایه‌ی ایندیوم آرسناید برسانند، قادر خواهند بود تا به مقدار بالاتری {نسبت به ۲۰ درصد} دست یابند. آنان برای دست‌یابی به این ساختار نواریِ «معکوس»، ولتاژی را اعمال کرده‌اند تا الکترون‌ها را از ایندیوم آرسناید به بیرون کشیده و حفره‌ها را به درون گالیوم آرسناید تزریق کنند. این پژوهش‌گران با استفاده از یک فناوری حساس به اسپین که اربیتال‌های الکترونی را در میدان مغناطیسی آشکارسازی می‌کند، ولتاژی که در آن تقریباً تمامی الکترون‌های رسانشی حالت اسپینی مشابهی را به اشتراک میگذارند را مشخص کرده‌اند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

جسیکا توماس ویراستار مجله‌ی فیزیک است.