تحقق اولین انتقال اسپین بدون آهنربا در گرافن به دست دانشمند ایرانی

دانشمندان دانشگاه دلفت در هلند به سرپرستی «طلیعه غیاثی» دانشمند ایرانی این دانشگاه دریافته‌اند که می‌توانند با قرار دادن گرافن روی یک ماده مغناطیسی انتخاب‌شده، جریان‌های اسپین کوانتومی را بدون آهنربا تحریک و کنترل کنند و راه را برای دستگاه‌های کوانتومی فوق نازک نسل بعدی هموار کنند.

کد خبر: ۸۱۶۹۴۴

تاریخ: ۱۶ تير ۱۴۰۴ - ۱۶:۴۵

به گزارش ایران اکونومیست، گروهی از محققان برای اولین بار موفق به تولید و تشخیص جریان‌های اسپین در گرافن بدون استفاده از هیچ میدان مغناطیسی خارجی شده‌اند و با موفقیت به یک چالش دیرینه در فیزیک پاسخ داده‌اند.

به نقل از آی‌ای، این پیشرفت می‌تواند نقش مهمی در تکامل دستگاه‌های کوانتومی نسل بعدی داشته باشد.

جریان‌های اسپینی ویژه یک عنصر کلیدی در اسپینترونیک(spintronics) هستند که نوع جدیدی از فناوری است که از اسپین الکترون‌ها به جای بار الکتریکی برای حمل اطلاعات استفاده می‌کند. «اسپینترونیک» دستگاه‌های فوق سریع و فوق‌العاده کم‌مصرف را نسبت به الکترونیک امروزی نوید می‌دهد، اما عملی کردن آن در مواد کاربردی مانند گرافن دشوار بوده است.

طلیعه غیاثی، محقق ارشد و دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه صنعتی دلفت(TU Delft) در هلند می‌گوید: به ‌طور مشخص، تشخیص جریان‌های اسپین کوانتومی در گرافن همیشه به میدان‌های مغناطیسی بزرگی نیاز داشته است که ادغام آنها روی تراشه عملاً غیرممکن است.

با این حال، غیاثی و تیمش در جدیدترین مطالعه خود نشان داده‌اند که با قرار دادن گرافن روی یک ماده مغناطیسی با دقت انتخاب شده می‌توانند جریان‌های اسپین کوانتومی را بدون آهنربا تحریک و کنترل کنند.

این کشف می‌تواند راه را برای مدارهای فوق نازک مبتنی بر اسپین هموار کند و به پر کردن شکاف بین الکترونیک و فناوری‌های کوانتومی آینده کمک کند.

دستیابی به اثر هال دوگانه در گرافن

برای درک اینکه چه چیزی این پژوهش را خاص می‌کند، لازم است بدانید که این تیم در تلاش بود تا اثر اسپین کوانتومی هال(QSH) را ایجاد کند. این حالت خاصی است که در آن الکترون‌ها فقط در امتداد لبه‌های یک ماده حرکت می‌کنند و اسپین‌های آنها در یک جهت قرار می‌گیرند.

این حرکت روان است و توسط نقص‌های کوچک پراکنده نمی‌شود و یک سناریوی رویایی برای ساخت مدارهای کارآمد و کم‌مصرف است. با این حال، تاکنون نشان دادن این اثر توسط گرافن نیازمند اعمال میدان‌های مغناطیسی قوی بود.

محققان به جای اینکه گرافن را مجبور به رفتار متفاوت با آهنرباها کنند، رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند. آنها یک ورق گرافن را روی یک ماده مغناطیسی لایه‌ای به نام کروم تیوفسفات(CrPS₄) قرار دادند. این ماده به طور طبیعی از طریق آنچه دانشمندان «اثرات مجاورت مغناطیسی» می‌نامند، بر الکترون‌های مجاور تأثیر می‌گذارد.

اثر هال غیر عادی و غیر منتظره

وقتی گرافن روی CrPS₄ قرار می‌گیرد، الکترون‌های آن شروع به احساس دو نیروی کلیدی می‌کنند؛ جفت شدن اسپین-مدار که حرکت الکترون را به اسپین آن مرتبط می‌کند و برهمکنش تبادلی که جهت‌های اسپین خاصی را ترجیح می‌دهد. این نیروها یک شکاف انرژی در ساختار گرافن ایجاد می‌کنند و منجر به ظهور حالت‌های رسانای لبه‌ای می‌شوند که نشانه‌ای از اثر QSH است.

محققان تأیید کردند که جریان‌های اسپینی در امتداد لبه‌های گرافن جریان دارند و حتی در حضور نقص‌های کوچک، در فواصل ده‌ها میکرومتری پایدار می‌مانند.

آنها همچنین متوجه چیزی غیر منتظره به نام اثر هال غیرعادی(AH) شدند که در آن الکترون‌ها حتی بدون میدان مغناطیسی خارجی به طرفین منحرف می‌شوند. برخلاف اثر QSH که آنها در دماهای پایین (کرایوژنیک) مشاهده کردند، این رفتار غیرعادی حتی در دمای اتاق نیز ادامه داشت.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: تشخیص حالت‌های QSH در میدان مغناطیسی خارجی صفر، همراه با سیگنال AH که تا دمای اتاق ادامه دارد، مسیر را برای کاربردهای عملی گرافن مغناطیسی در مدارهای اسپینترونیک کوانتومی باز می‌کند.

پتانسیل عظیم جریان‌های اسپینی

جریان‌های اسپینی پایدار و محافظت‌شده از نظر توپولوژیکی می‌توانند برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی‌تر استفاده شوند و احتمالاً کیوبیت‌ها را در رایانه‌های کوانتومی آینده به هم متصل کنند. آنها همچنین دریچه‌ای به سوی حافظه‌های فوق نازک و مدارهای منطقی باز می‌کنند که خنک‌تر و کارآمدتر از دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون امروزی عمل می‌کنند.

غیاثی می‌گوید: این جریان‌های اسپینی محافظت‌شده از نظر توپولوژیکی در برابر اختلالات و نقص‌ها مقاوم هستند و آنها را حتی در شرایط ناقص نیز قابل اعتماد می‌کنند.

با این حال، هنوز محدودیت‌هایی برای غلبه بر آنها وجود دارد. برخلاف AH، اثر QSH که برای توسعه مدارهای کوانتومی مناسب‌تر است، در اینجا مشاهده می‌شود و فقط در دماهای بسیار پایین رخ می‌دهد که استفاده فوری از آن را در لوازم الکترونیکی مصرفی محدود می‌کند.

محققان اکنون قصد دارند راه‌هایی را برای مقاوم‌تر کردن این اثر در دماهای بالاتر بررسی کنند و ترکیبات مواد دیگری را که این رویکرد می‌تواند در آنها کار کند، کشف کنند.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.