Znajdź zawartość

Po raz pierwszy udało się zmierzyć spin elektronu w materiale. Osiągnięcie uczonych z Uniwersytetów w Bolonii, Wenecji, Mediolanie, Würzburgu oraz University of St. Andrews, Boston College i University of Santa Barbara może zrewolucjonizować sposób badania i wykorzystania kwantowych materiałów w takich dziedzinach jak biomedycyna, energia odnawialna czy komputery kwantowe. Pomiar spinu w kontekście topologii materiału, w którym był mierzony, był możliwy dzięki wykorzystaniu promieniowania synchrotronowego oraz nowoczesnym technikom modelowania zachowania materii. Profesor Domenico di Sante z Uniwersytetu w Bolonii wyjaśnia: Na zachowanie elektronów w materiałach mają wpływ pewne właściwości kwantowe, determinujące ich spin w materiale, w którym się znajdują. Tak jak na tor ruchu światła we wszechświecie ma wpływ obecność gwiazd, ciemnej materii czy czarnych dziur, które zaginają czasoprzestrzeń. Właściwości elektronu znamy od dawna, jednak dotychczas nikt nie bezpośrednio nie zmierzył „topologicznego spinu” elektronu. Uczeni z Włoch, Niemiec, Wielkiej Brytanii i USA wykorzystali efekt znany jako dichroizm kołowy. Zjawisko to polega na różnej absorpcji przez substancje światła spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie. W swoich badaniach skupili się na metalach kagome. To materiały, w których atomy tworzą – znany z tradycyjnego japońskiego koszykarstwa kagome – wzór składający się z sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Ta nietypowa geometria atomów powoduje, że elektrony zachowują się w takim materiale w sposób nietypowy, co pozwala badać niezwykłe zjawiska kwantowe. Metale kagome służą m.in. do badań nad nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Pierwsze eksperymenty z nimi przeprowadzono w USA w 2018 roku. Teraz dwuwarstwowe metale kagome XV6Sn6 – gdzie X oznacza pierwiastek ziem rzadkich, tutaj były to terb, skand i holm – posłużyły do badania topologicznego spinu elektronu. Było to możliwe dzięki połączeniu eksperymentu z analizą teoretyczną. Teoretycy przeprowadzili najpierw złożone symulacje kwantowe na potężnych superkomputerach i poinstruowali eksperymentatorów, w którym miejscu materiału powinni mierzyć dichroizm kołowy, wyjaśnia Di Sante. « powrót do artykułu

Po dziesięciu latach pracy naukowcom z Princeton University udało się skonstruować system, który pozwala na kontrolowanie spinu elektronów w krzemie nawet przez 10 sekund. Wydłużenie czasu, w którym można kontrolować spin elektronów jest niezbędne do skonstruowania praktycznego komputera kwantowego. Dotychczas udawało się utrzymać spin elektronów przez ułamki sekund. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe i pod wpływem czynników zewnętrznych dochodzi do ich utraty, czyli dekoherencji. Kwantowy bit, na którym mają pracować kwantowe komputery, traci swoje właściwości i staje się „zwykłym“ bitem, przyjmującym w danym momencie tylko jedną wartość, zamiast wcześniejszych wszystkich możliwych wartości. Profesor Stephen Lyon i Alexei Tyryshkin, który są autorami najnowszego osiągnięcia, mówią, że kluczem do sukcesu było użycie niezwykle czystej próbki krzemu-28. Częściowo zawdzięczamy to udoskonaleniu metody pomiaru, ale większość zależy od materiału. To najczystsza próbka, jakiej dotychczas używaliśmy - mówi Lyon. Naukowcy zamknęli kawałek krzemu-28 w stalowym cylindrze wypełnionym helem. Wewnątrz panowała temperatura 2 kelwinów. Cylinder znajdował się pomiędzy dwoma pierścieniami, które miały za zadanie kontrolować pole magnetyczne wokół próbki. Po potraktowaniu krzemu mikrofalami doszło do skoordynowania spinów około 100 miliardów elektronów. Zaszła zatem koherencja i została ona utrzymana przez niewiarygodnie długie 10 sekund. Jej utrzymanie jest niezwykle ważne dla komputerów kwantowych, gdyż działające na nich oprogramowanie będzie potrzebowało czasu np. na korekcję błędów czy i operacje na danych. Muszą być one zatem dostępne na tyle długo, by program zakończył pracę z nimi. Stan kwantowy może zostać zniszczony przez naturalne pole magnetyczne materiałów. Dlatego też zdecydowano się na wykorzystanie krzemu-28, który, w przeciwieństwie do tradycyjnie używanego krzemu-25 ma niezwykle słabe pole magnetyczne. Projekt rozpoczął się 10 lat temu. Steve przyszedł do mnie i powiedział, żebyśmy wykorzystali próbkę wolną od innych izotopów - wspomina Tyryshkin. Po trzech latach badań uczeni byli wstanie utrzymać koherencję przez 600 mikrosekund. Przez kolejne lata wypróbowywali różne materiały. W końcu dzięki Avogadro Project, którego celem jest opracowanie nowej definicji kilograma, udało się uzyskać próbkę niezwykle czystego krzemu-28. Międzynarodowa współpraca dała niezwykłe wyniki. Zwykle w krzemie-28 znajduje się nawet 50000 części na milion krzemu-29, do tego dochodzą inne zanieczyszczenia, które mają silne pole magnetyczne. W oczyszczonym krzemie-28 liczba atomów krzemu-29 nie przekracza 50 na milion. Taka próbka była... zbyt czysta. Dodano do niej nieco fosforu, by była ona na tyle aktywna elektrycznie, żeby reagować na mikrofale. To właśnie ta reakcja, którą Lyon i Tyryshkin nazywają „echem“, gdyż są to mikrofale emitowane przez próbkę, pozwala na odczytanie spinu elektronów. Bardzo trudne było znalezienie odpowiedniej liczby atomów fosforu. Ich zbyt duża liczba oznaczałaby powstanie w próbce zbyt silnego pola magnetycznnego. Z kolei za mało fosforu dałoby zbyt słabe „echo“, którego nie można by odczytać. Istotne było też znaczne obniżenie temperatury próbki, gdyż w temperaturze pokojowej elektrony fosforu są zbyt aktywne. „Uspokajają się“ dopiero w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Warto w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej innym zespołom naukowym udało się kontrolować spin elektronów przez równie długi czas. Wykonano nawet pewne operacje matematyczne. Jednak do eksperymentów używano jonów zamkniętych w komorach próżniowych. Lyon i Tyryshkin skupili się na krzemie, gdyż uważają, że jest on znacznie bardziej praktyczny. Współczesna elektronika już wiele dekad temu zrezygnowała przecież z lamp elektronowych na rzecz krzemu.

Naukowcy z University of Bristol empirycznie dowiedli, że liczące sobie ponad 150 lat prawo Wiedmanna-Franza nie zawsze jest zachowane. Prawo to mówi, że w stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego w każdym metalu jest stały przy stałej temperaturze. Przed piętnastu laty dwójka amerykańskich fizyków wysunęła teorię, że prawo Wiedmanna-Franza nie ma zastosowania w metalu tworzącym strukturę dwuwymiarową. Wówczas bowiem elektron rozpadnie się na dwa stany kwazicząsteczkowe - spinon (posiadający spin, ale nie posiadający ładunku) oraz holon (niosący ładunek, ale nie spin). Amerykanie twierdzili, że gdy holon napotka zanieczyszczenie w metalu, odbije się, a spinon będzie w stanie wędrować dalej. W takim przypadku zatem ciepło będzie się dalej rozprzestrzeniało, a ładunek już nie. Różnica w przewodnictwie cieplnym i elektrycznym będzie rosła wraz ze spadkiem temperatury. Teraz obliczenia Amerykanów potwierdziła grupa pracująca pod kierunkiem profesora Nigela Husseya. Uczeni dowiedli, że dwuwymiarowy materiał może przewodzić ciepło 100 000 razy lepiej, niż inne metale, w których prawo Wiedemanna-Franza zachowuje ważność. To nie tylko szansa na wykorzystanie tego zjawiska w nowoczesnych technologiach, ale również dowód na bardzo silną separacje spinu i ładunku w dwuwymiarowym świecie.

Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) oraz niemieckiego Uniwersytetu w Konstancji dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie wykorzystania diamentów w fizyce kwantowej. Ich prace mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych. Uczonym udało się przesłać kwantową informację z elektronu w diamencie do sąsiedniego jądra atomu i z powrotem przy użyciu układu scalonego. Już przed dwoma laty informowaliśmy, że profesor Marshall Stoneham z Londyńskiego Centrum Nanotechnologii na University College London stwierdził, iż diament będzie dla komputerów kwantowych tym, czym krzem jest dla współczesnych maszyn. To odkrycie może być użyteczne przy opracowywaniu atomowej wielkości elementów pamięci komputera kwantowego, bazujących na diamencie. Stany subatomowe są bowiem lepiej izolowane od destrukcyjnych wpływów zewnętrznych - mówi profesor David Awschalom z UCSB. Uczony dodaje, że badania wspomniane badania dowiodły, iż możliwe jest przeprowadzenie operacji o wysokim stopniu niezawodności na kwantowej bramce, co pozwala na przesłanie w temperaturze pokojowej pełnej kwantowej informacji pomiędzy spinem elektronu a spinem jądra atomu. Cały proces jest skalowalny, co otwiera drogę do budowy kwantowych układów pamięci. Azot to jedno z najczęściej spotykanych zanieczyszczeń diamentów. Gdy atom azotu w diamencie sąsiaduje z pustym miejscem w strukturze krystalicznej, wprowadzany tam dodatkowy element zapewnia nadmiarowy elektron, który zostaje uwięziony w dziurze. Już wiele lat temu wiedziano, jak zmienić spin takiego elektronu i wykorzystać to jako kwantowy bit. Teraz profesor Awschalom odkrył, w jaki sposób można powiązać spin elektronu ze spinem sąsiadującego jądra azotu. Szczególnie interesujący jest fakt, że atom azotu jest tutaj częścią niedoskonałości, a to oznacza, że takie subatomowe elementy pamięci będą się automatycznie skalowały w zależności od liczby bitów w komputerze kwantowym - stwierdził Greg Fuchs, jeden z głównych autorów badań. Naukowców wciąż czekają poważne wyzwania. Jednym z nich jest znalezienie sposobu na szybki transfer informacji z atomów azotu, zanim ulegną one dekoherencji.

Przestrzeń jest zwykle postrzegana jako nieskończenie podzielna. Jeśli wybierzemy dwa dowolne punkty w przestrzeni, to możemy wyznaczyć pomiędzy nimi połowę odległości. Tymczasem dwóch naukowców z UCLA (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) zauważyło, że podzielenie przestrzeni na nieciągłe fragmenty, podobne do szachownicy, wyjaśnia pewne właściwości elektronów. Profesor Chris Regan i student Matthew Mecklenburg pracowali nad tranzystorami z grafenu gdy stwierdzili, że potraktowanie przestrzeni jak szachownicy wyjaśnia, w jaki sposób elektrony mogą otrzymywać spin. Naukowcy stwierdzili, że elektrony zyskują spin dzięki temu, że przebywają w określonej pozycji, na "czarnych" bądź "białych" polach "szachownicy". Moment własny pędu - czyli właśnie spin - pojawia się, gdy te "pola" są na tyle blisko siebie, że nie można znaleźć dzielącej ich granicy. "Spin elektronów może pojawiać się dlatego, że przestrzeń w bardzo małych wymiarach nie jest gładka, ale pofragmentowana, jak szachownica" - stwierdził Regan. Spin, dzięki temu, że może przyjmować tylko dwie wartości, pozwala wyjaśnić stabilność materii, naturę wiązań chemicznych i wiele innych zjawisk. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób elektrony "zarządzają" spinem i związanym z nim ruchem obrotowym. Jeśli elektron ma średnicę, to jego powierzchnia musiałaby poruszać się szybciej od prędkości światła, co narusza teorię względności. Eksperymenty wykazały, że elektron nie ma średnicy, jest punktem bez powierzchni i mniejszych struktur. Już w pierwszej połowie XX wieku Paul Dirac dowiódł, że spin elektronu jest związany ze strukturą czasoprzestrzeni, łącząc mechanikę kwantową z teorią Einsteina. Jednak równanie Diraca nie wyjaśnia, w jaki sposób elektron, który jest punktem, uzyskuje moment pędu, ani dlaczego spin przyjmuje tylko dwie wartości. Teraz Regan i Mecklneburg wpadli na proste wyjaśnienie zagadki. "Chcieliśmy obliczyć wzmocnienie sygnału w grafenowym tranzystorze" - stwierdził. Do przeprowadzenia wyliczeń konieczne było zbadanie, w jaki sposób światło wpływa na elektrony w grafenie. Elektrony te przeskakują pomiędzy atomami grafenu tak, jak figury po szachownicy, z tą jednak różnicą, że grafenowa "szachownica" jest trójkątna. Pola "ciemne" wskazują na "góra", pola "jasne" na "dół". Gdy elektron w grafenie zaabsorbuje foton, przeskakuje z pola jasnego na ciemne. To prowadzi do zmiany kierunku spinu. Innymi słowy, przesunięcie elektronu na inną pozycję zmienia jego spin. Spin jest zaś określany przez układ geometryczny siatki krystalicznej grafenu i jest różny od dotychczasowego spinu elektronu. "Mój promotor doktoryzował się ze struktury elektronu. Byliśmy niezwykle podekscytowani stwierdzając, że spin zależy od siatki krystalicznej. To z kolei każe nam się zastanowić, czy zwykły spin elektronu nie powstaje w ten sam sposób" - mówi Mecklenburg. Profesor Regan dodaje, że byłoby dziwne, gdyby tylko grafen posiadał sieć krystaliczną zdolną do generowania spinu.

Na University of Utah powstał spintroniczny tranzystor, dzięki któremu udało się na rekordowo długi czas uporządkować spiny elektronów w krzemowym układzie scalonym w temperaturze pokojowej. To kolejny ważny krok, dzięki któremu mogą powstać spintroniczne układy scalone. Będą działały one szybciej i zużywały znacznie mniej energii niż układy elektroniczne. Urządzenia elektroniczne korzystają z ujemnego poruszającego się ładunku elektronów. Urządzenia spintroniczne będą używały zarówno ładunku jak i spinu elektronów. Dzięki temu powstaną mniejsze, szybsze i bardziej wydajne komputery - mówi profesor Ashutosh Tiwari, który wraz z doktorantem Nathanem Grayem stworzył spintroniczny tranzystor działający w temperaturze pokojowej. Tranzystory takie umieszczono na krzemie i uporządkowano w nich spiny. Udało się je utrzymać w uporządkowanym stanie przez rekordowo długi czas 276 bilionowych części sekundy. Tiwari i Gray wykorzystali elektryczność i pole magnetyczne do wprowadzenia elektronów z uporządkowanym spinem do krzemowej kości. Użyli przy tym tlenku magnezu jako tunelu, który umożliwił elektronom przejście od jednej niklowo-żelaznej elektrody do drugiej. Bez tlenku magnezu spiny elektronów natychmiast ułożyłyby się w sposób przypadkowy. Całość działa w temperaturze pokojowej, podczas gdy większość eksperymentalnych urządzeń spintronicznych wymaga bardzo niskich temperatur, poniżej -128 stopni Celsjusza, by uporządkować spiny - mówi profesor Tiwari. Uczeni pokryli fragment krzemu o wymiarach 2,5x0,8x0,2 centymetra cienką warstwą tlenku magnezu i umieścili na tym kilkanaście tranzystorów zbudowanych z niklu i żelaza. Każdy z tranzystorów miał trzy elektrody. Jedna z nich służyła do wprowadzenia elektronów oraz wykrycia ich obecności, a dwie pozostałe, ujemna i dodatnia, mierzyły napięcie. Podczas eksperymentu podłączono prąd elektryczny do elektrody wejściowej oraz negatywnej każdego tranzystora. To kolejny spintroniczny rekord pobity na tej uczelni. Przed kilkoma miesiącami powstał tam najmniejszy w historii układ pamięci. Następnie całość poddano działaniu pola magnetycznego i mierzono zmiany napięcia. Badając zmiany napięcia w czasie działania pola magnetycznego mogliśmy sprawdzić spin oraz czas, w jakim był on uporządkowany - mówi Tiwari. Jeśli w przyszłości chcemy wykorzystywać spintronikę w praktyce, musimy opracować takie urządzenia, w których elektrony z uporządkowanym spinem będą w stanie utrzymać porządek przez odpowiednio długi czas potrzebny do przebycia odpowiedniej odległości. Tiwariemu i Grayowi udało się przechować spin przez 276 pikosekund, co oznacza, że elektrony przebyłyby w tym czasie 328 nanometrów w układzie krzemowym. To naprawdę spora odległość. To niemal 10-krotnie więcej niż potrzebujemy i dwukrotnie więcej niż trzeba, gdybyśmy zamiast tlenku magnezu użyli tlenku aluminium - stwierdza Tiwari. Profesor mówił o tlenku aluminium, gdyż był on wykorzystywany we wcześniejszych eksperymentach przez uczonych z Holandii. Najnowsze badania pokazały jednak, że tlenek magnezu lepiej się sprawdza.

Naukowcy z University of Utah stworzyli najprawdopodobniej najmniejszy w historii układ pamięci. Przez 112 sekund przechowywali dane w jądrze atomu, wykorzystując do tego celu spin. Później odczytali te informacje. Badania takie w przyszłości posłużą do stworzenia szybkich układów pamięci zarówno dla komputerów konwencjonalnych jak i dla maszyn kwantowych. Zaobserwowana przez nas długość przechowywania danych jest bardziej niż wystarczająca do stworzenia układów pamięci. To całkiem nowy sposób składowania i odczytywania informacji - stwierdził autor badań, profesor Christoph Boehme. Zanim jednak zaczniemy się w sklepach rozglądać za "atomowymi" układami pamięci, będziemy musieli poczekać co najmniej kilka lat. Zastosowany przez naukowców aparat do zapisywania i odczytywania danych pracuje bowiem w temperaturze 3,2 kelwinów i musi być otoczony polem magnetycznym 200 000 razy silniejszym od pola magnetycznego Ziemi. Oczywiście, że możemy już dzisiaj stworzyć taki układ pamięci, ale czy naprawdę potrzebujemy komputera, który pracuje w -270 stopniach Celsjusza i wymaga wielkiego laboratorium do generowania odpowiedniego pola magnetycznego? Najpierw musimy nauczyć się, jak wymusić pracę w wyższych, bardziej praktycznych temperaturach, i pozbyć się silnego pola magnetycznego potrzebnego do ustawienia spinu - mówi profesor. Największym osiągnięciem Boehme jest elektroniczne odczytanie danych. Już przed dwoma laty innej grupie uczonych udało się przechować przez 2 sekundy dane w jądrze atomu, ale nie odczytali ich elektronicznie. Badania nad "atomową" pamięcią Boehme prowadzi od wielu lat, a w 2006 roku jego zespół zaprezentował sposób na odczytanie danych z 10 000 atomów fosforu umieszczonych na krzemie. Obecnie Boehme, Dane McCamey i inni uczeni z Utah wykorzystali cienki, wzbogacony fosforem kawałek krzemu o powierzchni 1 mm2 i umieścili na nim styki elektryczne. Całość włożono do kontenera, w którym panowało bardzo niska temperatura i poddano działaniu pola magnetycznego o wartości 8,59 tesli, które odpowiednio ustawiło spiny elektronów atomu fosforu. Za pomocą fal elektromagnetycznych o częstotliwościach bliskich terahercowi zmieniano kierunek spinów. Następnie za pomocą radiowych fal ultrakrótkich przeniesiono informacje z elektronów do jądra. Podczas odczytu cały proces odwrócono. Za pomocą fal o terahercowej częstotliwości przeniesiono informacje z jądra do elektronów i je odczytano dzięki temu, że spin elektronów został zamieniony na zmiany w przepływie prądu elektrycznego. Krótko mówiąc, zapisaliśmy '1' w jądrze atomu. Wykazaliśmy, że możemy odczytywać i zapisywać dane ze spinu w jądrze - mówi Boehme. Informacje udało się wielokrotnie zapisywać i odczytywać średnio przez 112. Po tym czasie jądro atomu traciło oinformację o spinie. W ciągu tych 112 sekund przeprowadzono 2000 operacji odczytu tych samych danych, co dowodzi, że odczytanie informacji nie niszczy jej, a zatem takie jej przechowywanie jest wykonalne. Na obecnym etapie udało się odczytać spin z wielu jąder atomu. Taka technika sprawdzi się w komputerach klasycznych, ale nie w kwantowych, gdzie konieczne jest odróżnienie spinu z pojedynczego atomu. Boehme mówi, że uczeni powinni sobie poradzić z tym w ciągu kilku najbliższych lat.

Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, University of Melbourne oraz fińskiego Uniwersytetu Aalto pokazali sposób na wykrywanie spinu pojedynczego elektronu. Ich badania dają nadzieję na skonstruowanie jednego z najważniejszych elementów komputera kwantowego, czyli czytnika stanu pojedynczego elektronu. Zespół pracujący pod kierownictwem Andrei Morello i Andrew Dzuraka jako pierwszy w historii zmierzył spin pojedynczego elektronu w krzemie. Nasze urządzenie wykrywa spin pojedynczego elektronu w pojedynczym atomie fosforu umieszczonym na krzemie. Spin elektronu kontroluje przepływ elektronów w pobliskim obwodzie - mówi Morello. Teraz uczeni pracują nad skonstruowaniem urządzenia zapisującego dane w pojedynczym elektronie. Gdy im się to uda, połączą oba urządzenia, a z ich par będą budowali 2-bitowe bramki logiczne.

Uczeni z University College London (UCL) oraz florydzkiego National High Magnetic Field Lab (NHMFL) dowodzą, że bizmut znacznie lepiej nadaje się do produkcji układów spintronicznych niż faworyzowany fosfor. Bizmut jest kompatybilny z krzemem, jednak pierwiastkiem tym się praktycznie nie zajmowano. Wysiłki specjalistów pracujących nad spintroniką skupiły się wokół fosforu dlatego, że już obecnie jest on używany w krzemie. Brytyjscy i amerykańscy uczeni odkryli, że bizmut jest znacznie lepszym materiałem niż fosfor. Bizmut to najcięższy stabilny atom. I o ile fosfor daje nam do dyspozycji dwie wartości spinu, to bizmut na 5 orbitalach może przechowywać po 2 wartości, pozwalając na zapisanie danych w 10 kierunkach spinu. To z kolei czyni bizmut znacznie lepszym niż fosfor kandydatem na materiał wykorzystywany w komputerach kwantowych. Uczeni z UCL i NHMFL proponują połączenie zalet obu pierwiastków. W ich koncepcji bizmut służyłby do przechowywania danych, a fosfor do kontroli ich przepływu. Główny autor badań, doktor Gavin Morley z UCL stwierdził: Podczas badań pokonaliśmy takie przeszkody jak użycie bizmutu do przygotowania, kontroli i przechowywania kwantowej informacji. W tym przypadku większy znaczy lepszy gdyż większe jądro atomu bizmutu zapewnia więcej miejsca na przechowywanie kwantowej informacji.

W ostatnim numerze Nature Nanotechnology naukowcy z Ohio University oraz uniwersytetu w Hamburgu informują o zobrazowaniu, po raz pierwszy w historii, spinu elektronów. Do stworzenia obrazu uczeni wykorzystali zbudowany przez siebie mikroskop sił atomowych z sondą pokrytą żelazem. Dzięki temu mogli na badanej manganowej powierzchni umieścić atomy kobaltu i zmienić w ten sposób spin elektronów. Badania wykazały, że gdy spin atomu był skierowany w górę, atomy przypominały górę z jednym szczytem, gdy był w dół - górę z dwoma szczytami. Udane zobrazowanie spinu może mieć wpływ na przyszłe badania nad przechowywaniem danych, komputerami magnetycznymi czy urządzeniami spintronicznymi. "Połączenie technik manipulowania atomami i odczytywania spinu tworzy nową perspektywę w tworzeniu struktur na skalę atomową oraz w badaniu właściwości magnetycznych" - powiedział główny autor badań, Andre Kubetzka z uniwersytetu w Hamburgu. Zanim się to jednak stanie, uczeni muszą opracować sposób na obrazowanie spinów w temperaturze pokojowej. Opisywane badania przeprowadzono bowiem w komorze próżniowej w temperaturze 10 kelwinów, do uzyskania której wykorzystano hel.

Uczeni z niemieckiego uniwersytetu w Regensburgu poinformowali o przeprowadzeniu przełomowego eksperymentu na drodze do wykorzystania spintroniki w komputerach. Udało im się w temperaturze pokojowej wprowadzić elektrony do krzemu i ustawić spin większości z nich w tym samym kierunku. Spin elektronów jest łatwo ustawić w magnetykach. Jednak w półprzewodnikach stanowi to poważne wyzwanie. By tego dokonać należy odpowiednio ustawić spin elektronów w materialne magnetycznym, a następnie przetransportować elektrony do półprzewodnika uważając, by zachować spin. Dotychczas udawało się to tylko w niezwykle niskich temperaturach albo też przy wykorzystaniu drogich materiałów, takich jak arsenek galu. Tymczasem Jaroslav Fabian i jego koledzy przetransportowali elektrony do krzemu w temperaturze pokojowej. Prace zaczęli od stopu niklu i żelaza, używanego np. do budowy głowic w dyskach twardych. To był ich materiał magnetyczny. Ułożyli go na krzemie, a pomiędzy oboma materiałami umieścili jednonanometrową warstwę tlenku aluminium. Działa on jak izolator, jednak po przyłożeniu doń napięcia część elektronów została przetransportowana do krzemu. Tlenek aluminium ma tę właściwość, że tunelowanie przez ten materiał jest łatwiejsze dla elektronów o określonym spinie, a więc większość z tych, które trafiły do krzemu, miały ten sam spin. Eksperyment jest przełomowy, gdyż pokazuje prostą i skuteczną technikę transportowania w temperaturze pokojowej elektronów o tym samym spinie z magnetyka do półprzewodnika. Jego przeprowadzenie nie oznacza jednak, że wkrótce rozpocznie się epoka spintronicznych komputerów. Do rozwiązania pozostały bowiem bardzo poważne problemy. Naukowcy muszą się nauczyć przede wszystkim, w jaki sposób zmieniać spin elektronów, które już znalazły się w półprzewodniku.

W najnowszym numerze Nature Physics ukazał się artykuł, którego autorzy opisują, w jaki sposób wykorzystać laser do przyspieszenia 100 000 razy operacji odczytu i zapisu na dyskach twardych. Zespół z francuskiego Instytutu Chemii i Fizyki Materiałów pod przewodnictwem Jeana-Yvesa Bigota użył femtosekundowego lasera. Obecnie korzystamy z zapisu magnetycznego i mówimy o spintronice, czyli elektronice spinu. Nasza metoda to fotonika spinu, gdyż używamy fotonów do zmiany i odczytu spinu elektronów - wyjaśnia Bigot. Odczyt i zapis danych na współczesnych dyskach twardych odbywa się za pomocą pola magnetycznego i zmiany w spinie elektronów. Metoda ta jest jednak dość powolna. Francuzi udowodnili, że femtosekundowy laser pozwala na zmianę spinu elektronów, a tym samym, na znaczne przyspieszenie całej operacji. Niestety, w najbliższej przyszłość nie powinniśmy się spodziewać, że kupimy bardzo szybko działające dyski twarde. Femtosekundowe lasery to obecnie bardzo duże urządzenia o wymiarach około 30x10 centymetrów. Jednak wraz z postępującą miniaturyzacją mogą one w przyszłości stanowić część HDD. Zainteresowanie pracami Francuzów wyrazili już najwięksi producenci dysków twardych.

Naukowcy mają skłonność do częstego przepowiadania rewolucji informatycznych. Rewolucyjne miały być – procesory bądź komputery – wektorowe, sygnałowe, macierze FPGA, optyczne czy kwantowe. Do tego obiecywano "przewroty" wynikające z zastosowania przeróżnych technologii, które powinny posłać do lamusa układy scalone bazujące na krzemie. Do ostatniej grupy należy zaliczyć pomysł wykorzystania w przyszłych komputerach pigmentów z grupy ftalocyjanin. Według naukowców z londyńskich ośrodków Imperial College oraz Centre for Nanotechnology, możliwe jest sterowanie magnetycznymi właściwościami cząsteczek wspomnianych związków. Zaobserwowali oni bowiem wzajemne oddziaływania między atomami metalu (m.in. miedzi) znajdującymi się w centrach owych cząstek. Badacze są także w stanie kontrolować spin tych atomów, co można wykorzystać do przechowywania i przetwarzania informacji. Do tej pory udało im się uzyskać przełączenie stanu z "włączonego" na "wyłączony" oraz z "włączonego" na "włączony" innego rodzaju. Obecnie trwają prace nad "włączaniem" cząsteczkowych przełączników – jeśli zakończą się one sukcesem, otrzymamy technologię zdolną zastąpić standardowe układy logiczne. Niewykluczone również, że w podobny sposób uda się uzyskać qubity – podstawowe elementy komputerów kwantowych. Jeśli ftalocyjaniny faktycznie staną się podstawą przyszłych układów elektronicznych, pozwolą one uzyskać m.in. pamięci o gęstości upakowania sięgającej setek miliardów bitów na centymetr kwadratowy. Jednak póki co, klasyczne procesory i krzem trzymają się mocno, a to dzięki nieustającej ewolucji technologii wytwarzania chipów.

Do powstania pierwszego prawdziwego komputera kwantowego jeszcze długa droga, ale naukowcy czynią na niej kolejne postępy. Akademicy z uniwersytetu w Buffalo opracowali urządzenie, które potrafi schwytać elektron i wykryć jego spin. Wcześniej naukowcom z różnych ośrodków udało dokonać się podobnych rzeczy, jednak wykorzystywali do tego celu kwantowe kropki, a cała operacja odbywała się w temperaturze niższej niż 1 stopień Kelvina (poniżej -272,15 stopnia Celsjusza). Uczeni z Buffalo są natomiast w stanie manipulować spinem w temperaturze około 20 stopni Kelvina. To wciąż bardzo niska temperatura (-253,15), jednak łatwiejsza do uzyskania. Tym samym badania z Buffalo stanowią krok naprzód w kierunku powstania komputerów kwantowych. Opracowany w Buffalo system reguluje przepływ elektronów w półprzewodniku dzięki dostarczaniu napięcia elektrycznego do metalicznych bramek znajdujących się na powierzchni półprzewodnika. Gdy zwiększamy napięcie, stopniowo zamyka się szczelina w bramkach. Dzięki temu przepływa przez nią coraz mniej i mniej elektronów, aż ich ruch zostaje całkowicie zatrzymany. Kiedy szczelina jest bliska zamknięcia, możemy ‘przytrzasnąć’ w niej ostatni z elektronów i wykryć jego spin – mówi profesor Jonathan P. Bird. Niedawno teoretycznie przewidziano, że możliwe jest skonstruowanie takiego urządzenia, które złapie pojedynczy elektron i wykryje jego spin. Naukowcy z Buffalo udowodnili tę teorię.

Współcześni naukowcy, np. Phillipe Walter z French Museums' Research and Restoration Centre w Paryżu, uważają, że moglibyśmy się wiele nauczyć o nanotechnologii od... fryzjerów ze starożytnej Grecji. Podczas farbowania włosów popularnym przed 2000 lat barwnikiem produkowanym na bazie ołowiu wewnątrz włókien włosa tworzą się kryształy siarczku ołowiu o średnicy 5 nanometrów. Przypominające włosy rusztowania można by wykorzystać do hodowli kropek kwantowych, nazywanych też niekiedy sztucznymi atomami. W ich wnętrzu "więzione" byłyby elektrony. Umożliwiłoby to wykorzystanie ich właściwości kwantowych, takich jak spin, w rozwijanych właśnie kwantowych systemach komputerowych. Dotychczasowe metody wytwarzania kropek kwantowych były źródłem błędów i wad. Prace Francuzów zostaną opisane w magazynie Nano Letters. Kropka kwantowa to fragment przestrzeni ograniczony w 3 wymiarach barierami potencjału. W jej wnętrzu zostaje uwięziona cząstka, np. elektron, o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki.

Dokonano kolejnego przełomu na drodze do stworzenia urządzeń elektronicznych przyszłości. Tym razem postęp dotyczy spintroniki. Ian Appelbaum i Biqin Huang z University of Delaware oraz Douwe Monsma z Cambridge NanoTech stworzyli działające urządzenie, które korzysta z krzemu i osiągnięć spintroniki. Dotychczas tych dwóch rzeczy nie udawało się skutecznie połączyć. We współczesnej elektronice informacje przechowywane i przesyłane są za pomocą ładunku elektrycznego elektronów. Spintronika chce je przechowywać korzystając ze spinu elektronów. Spin to własny moment pędu cząsteczki. Jest on wielkością kwantową, niezmienną. Upraszczając jest to ruch obrotowy elektronu wokół własnej osi. Taki wirujący elektron wytwarza własne pole magnetyczne. W materiałach ferromagnetycznych elektrony o takim samym spinie grupują się i tworzą uporządkowane magnetyczne obszary zwane domenami. Te domeny można wykorzystać do przetwarzania i przechowywania informacji. To właśnie jest dziedziną spintroniki. Dotychczas główną przeszkodą na drodze do rozwoju tej technologii był fakt, że działała ona tylko w ferromagnetykach. Użycie taniego i dobrze znanego krzemu było niemożliwe. Próbowano łączyć materiały ferromagnetyczne z krzemem, ale powodowało to poważne problemy z kontrolowaniem elektronów. Amerykańscy uczeni znaleźli rozwiązanie. Umieścili na krzemie wyjątkowo cienką warstwę materiału ferromagnetycznego. Jej grubość wynosi zaledwie 5 nanometrów. Użyli ponadto elektronów o wysokiej energii. Dzięki temu udało im się kontrolować elektrony i przełączać ich spin za pomocą pola magnetycznego. Rozwój spintroniki pozwoli na zbudowanie m.in. komputerów kwantowych.