Ένα σπιν που ελέγχεται από ηλεκτρικό πεδίο

November 10, 2007 at 5:17 pm (ΔΙΑΦΟΡΑ) ()

http://www.physics4u.gr/news/2007/scnews3091.html

Ερευνητές στην Ολλανδία έχουν δείξει ότι είναι δυνατό να ελεγχθεί το σπιν ενός μοναδικού ηλεκτρονίου με τη χρησιμοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου αντί του μαγνητικού πεδίου, όπως γίνεται συνήθως. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει πιθανές εφαρμογές στη σπιντρονική (spintronics) και τον κβαντικό υπολογισμό. Ένα αναπτυσσόμενο πεδίο στην έρευνα είναι η σπιντρονική που εκμεταλλεύεται το σπιν καθώς επίσης και το φορτίο των ηλεκτρονίων. Το νέο πεδίο ήδη έχει χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την ποσότητα των δεδομένων που μπορούν να αποθηκευτούν στους σκληρούς δίσκους και κάποια μέρα θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση των πρακτικών κβαντικών υπολογιστών, που θα εκτελούν υπολογισμούς με το χειρισμό των σπιν των απλών ηλεκτρονίων. Ένα βασικό στοιχείο της σπιντρονικής είναι η δυνατότητα της να αλλάξει την κατεύθυνση του σπιν ενός ηλεκτρονίου από πάνω σε κάτω. Στη νέα εργασία, μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από το τον Lieven Vandersypen, στο Ίδρυμα Kavli των Νανοεπιστημών στο πανεπιστήμιο του Ντελφτ, απέθεσε μεταλλικές χρυσές πύλες πάνω σε ένα υπόστρωμα αρσενιδίου του γαλλίου, δημιουργώντας έτσι μια μικρή περιοχή όπου ένα μόνο ηλεκτρόνιο μπορεί να τοποθετηθεί. Οι ερευνητές μπόρεσαν έπειτα να χρησιμοποιήσουν αυτές τις κβαντικές κουκίδες όπως λέγονται, για να ελέγξουν το σπιν του ηλεκτρονίου. Αν και προηγουμένως ήταν σε θέση οι ερευνητές να μεταβάλουν την κατεύθυνση του σπιν των ηλεκτρονίων – που περιορίζονται σε αυτές τις κουκίδες – εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο, όμως δεν είναι εύκολο να παραχθεί ένα μαγνητικό πεδίο τοπικά σε ένα τσιπ που να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να αλλάξει το σπιν διεύθυνση. “Για να χειριστεί δε κάποιος μια σειρά απλών σπιν είναι σχεδόν αδύνατο”, λέει ο Vandersypen. Στα νέα πειράματά τους, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο κβαντικές κουκίδες που η κάθε μία απείχε 0,2 µm. Εάν τα σπιν στις κουκίδες είναι και τα δύο παράλληλα, κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να πηδήσει από τη μία κουκίδα στην άλλη λόγω της Απαγορευτικής Αρχής του Pauli. Εντούτοις, η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου αναγκάζει το ένα σπιν να αλλάξει διεύθυνση. Πράγματι, εάν εφαρμοστεί το ηλεκτρικό πεδίο για αρκετό χρόνο τότε το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να αλλάξει διεύθυνση και να γίνει αντιπαράλληλο με το απιν του άλλου ηλεκτρονίου, και τότε μόνο μπορεί να πηδήσει το ηλεκτρόνιο προς την άλλη κουκίδα και έτσι να προκαλέσει ένα ρεύμα. Τελικά, εάν το πεδίο εφαρμοστεί ακόμα περισσότερο, το σπιν επιστρέφει στην αρχική του διεύθυνση πάλι. Οι φυσικοί που πραγματοποίησαν το πείραμα, διαπίστωσαν ότι το ρεύμα μεταβάλλεται ημιτονοειδώς όταν σχεδιαστεί με ορισμένο τρόπο. Αυτές οι μεταβολές του σπιν είναι γνωστές ως ταλαντώσεις Rabi, κι αυτή η ανακάλυψη απέδειξε τον έλεγχο της αλλαγής του σπιν. Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται για να ελέγξει το ηλεκτρικό πεδίο το σπιν ενός ηλεκτρονίου βρίσκεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ σπιν-τροχιάς. Καθώς το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από έναν πυρήνα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που αλλάζει τη μαγνητική ροπή του έτσι ώστε, στο πλαίσιο αναφοράς του ηλεκτρονίου, το ηλεκτρικό πεδίο να εμφανίζεται ως μαγνητικό πεδίο. Η ομάδα υπολόγισε ότι η σύζευξη από το ηλεκτρικό πεδίο του αρσενιδίου του γαλλίου πάνω στο σπιν του απλού ηλεκτρονίου στην κβαντική κουκίδα, είναι αρκετά ισχυρή ώστε να αλλάξει την κατεύθυνση του σπιν όταν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Δείχνοντας ότι είναι δυνατό να ελεγχθούν τα απλά σπιν στις κβαντικές κουκίδες μέσω περιορισμένων ηλεκτρικών πεδίων, οι ερευνητές στο Ντελφτ προγραμματίζουν τώρα να παραγάγουν μια σειρά κβαντικών κουκίδων, όπου μπορούν να χειριστούν κάθε κατάσταση του σπιν των ηλεκτρονίων. Προγραμματίζουν δε να χρησιμοποιήσουν αυτές τις σειρές για να σχηματίσουν ελεγχόμενα συνδεμένα σπιν, κάτι που θα μπορούσε να προετοιμάσει το έδαφος για τις πεπλεγμένες καταστάσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: