スピントロニクスの明るい未来

より小さく、より速く、より安価な電子機器を構築したいという願望により、多くの研究者がトランジスタで電子のスピンを使用しようと試みました。これらのスピントロニクストランジスタは、エネルギー効率が高く、より小さなスペースで従来のトランジスタよりも多くの計算を実行できます。さらに、オプトエレクトロニクスのアプリケーションでは、電子のスピンを利用するレーザーと発光ダイオードが、光のデータ伝達能力を高める可能性があります。

しかし、この新たな分野における重要なハードルの1つは、スピントロニクスデバイスの製造に必要な磁性材料と半導体材料に互換性がないことで有名です。

現在、オハイオ大学とオハイオ州立大学の研究者は、初期テストに基づいて、それが進歩である可能性があるように見える磁性半導体システムを開発しました。 アーサー・スミ​​ス 、オハイオ大学の物理学教授と彼の同僚は、青色レーザーとLEDの製造、および無線周波数信号の増幅に使用される一般的な半導体である窒化ガリウム上で、磁性金属であるマンガンガリウムの成長に成功しました。

研究者たちは、材料層の原子の間隔はほぼ理想的な一致であり、層間の滑らかな界面を作成し、それによって実行可能なスピントロニクスデバイスを製造する可能性を高めると述べています。きれいなインターフェースがないと、電子が金属と半導体の間の障壁を越えて移動すると、元のスピンを失い、デバイスを台無しにする可能性があるとスミス氏は言います。さらに、彼らの新しいシステムは室温でその磁気特性を維持している、とスミスは言います。多くの潜在的なスピントロニクス材料は、極低温でのみうまく機能しますが、最近の開発により、いくつかの室温材料が製造されています（コンピューティングに関する新しいスピンを参照）。

電子が金属から半導体に移動する間、スピン特性を維持することを確認するためにさらなるテストが必要ですが、スミスはこれらの初期のテストは有望であると言います。かなりうまくいく可能性は十分にあると彼は言います。

電子のスピン（アップまたはダウンの2種類の量子力学的特性）を使用する電子システムは、今日のトランジスタと同様に機能しますが、いくつかの利点があります。現在、回路の論理機能は電流だけが原因です。トランジスタを流れる電流は1を表します。電流がない場合は0。電子のスピンを制御できる場合、スピンアップ電子は1を表し、スピンダウンは0を表す可能性があります。

電流とは異なり、電源がオフの場合でもスピンを維持できます。また、スピントロニクス回路は、電流を絶えず流す必要がないため、消費電力が少なくなります。これが、フリースケールセミコンダクタなどの企業がスピンベースのソリッドステートメモリを模索している理由です（より優れたメモリチップを参照）。

2番目の利点は、スピンを使用すると、電子の情報の保存と送信の容量をさらに増やし、マイクロプロセッサを効果的に高速化できることです。

スミス氏は、電子アプリケーションは彼のシステムにとって遠い将来になるかもしれないと言っています。代わりに、レーザーやLEDなどのオプトエレクトロニクスアプリケーションに最適な場合があります。

具体的には、半導体レーザーの電子のスピンがこれらのデバイスから放出される光子に影響を与える可能性があると彼は説明します。特定のスピンを持つ電子は、対応するスピンを持つ光子を生成し、偏光をもたらす可能性があります。偏光（光波の一般的な方向）を利用して、電気通信で使用される光に別のデータ層を追加することができます。現在、情報は光の周波数と位相を調整することによってエンコードされています。したがって、偏波符号化により、光回線の容量が増加する可能性があります。

オハイオ州の研究者の新しい材料は優れた特性を備えているため、このシステムは光学アプリケーションの候補になる可能性があると述べています。 カナン・クリシュナン 、シアトルのワシントン大学の材料科学の教授。グループは実際のデバイスを構築していませんが、非常に有望であると彼は言います。

ミネソタ大学の化学工学および材料科学の教授であるChrisPalmstromは、この研究は窒化ガリウム上で磁性材料を成長させる最初の研究であると述べています。それでも、研究者はそれを使って何かできることを証明しなければならないと彼は言います。

システムが実際のデバイスで機能することを証明することは、研究者にとって次のステップです。スミス氏は、磁性材料中の電子のスピンが偏光にどれだけうまく変換されるかを決定するために、その発光特性をテストする可能性が最も高いと述べています。

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