Tranzystor spinowy działający według nowych zasad został skonstruowany
przez zespół fizyków z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie
i Uniwersytetu w Ratyzbonie. Doświadczalna demonstracja tranzystora jest
kolejnym krokiem ku upowszechnieniu spintroniki, dziedziny nauki i techniki,
która w przyszłości w istotnej części zastąpi elektronikę.

Polsko-niemiecki zespół fizyków zaprezentował nowy typ tranzystora spinowego. Eksperymentalna demonstracja, przeprowadzona na Uniwersytecie w Ratyzbonie, była możliwa dzięki unikatowym strukturom półprzewodnikowym, wykonanym w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN) w Warszawie w ramach projektu „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie” Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Osiągnięcie przedstawiono w artykule w najnowszym wydaniu „Science”, jednego z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych świata.

Tranzystory powszechnie stosowane w urządzeniach codziennego użytku działają kontrolując przepływy dużych ilości nośników ładunków elektrycznych. Miniaturyzacja obwodów funkcjonujących na tej zasadzie jest jednak trudna z uwagi na wydzielające się ciepło.

„Tranzystor spinowy wykorzystuje nie ładunek elektryczny, a inną cechę kwantową elektronu: spin, czyli jego wewnętrzny momentu pędu”, wyjaśnia prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz z IF PAN, który kierował polską grupą zaangażowaną w budowę nowego tranzystora.

Ze spinem nierozerwalnie wiąże się pole magnetyczne. Ponieważ przypadkowe pola magnetyczne są dużo słabsze niż przypadkowe pola elektryczne, pamięci spintroniczne nie traciłyby informacji po odłączeniu zasilania, a procesory spintroniczne potrafiłyby fizycznie modyfikować własne obwody, dopasowując swoją strukturę logiczną do aktualnych potrzeb. Z kolei umiejętność operowania spinami pojedynczych elektronów otworzyłaby drogę do budowy komputerów kwantowych – urządzeń, które zgodnie z przewidywaniami teoretyków będą realizować pewne klasy algorytmów w nieprawdopodobnie krótkim czasie.

Pierwszą ideę budowy półprzewodnikowego tranzystora spinowego przedstawiono w 1990 roku. Pomysł udało się sprawdzić doświadczalnie dopiero trzy lata temu. Otrzymane sygnały były jednak słabe, co wynikało z faktu, że elektrony wstrzykiwano do półprzewodnika z małą wydajnością, a na dodatek szybko traciły one początkowy kierunek spinu.  

W tranzystorze spinowym skonstruowanym przez zespół z Uniwersytetu w Ratyzbonie, kierowany przez prof. Dietera Weissa, i grupę badaczy z Instytutu Fizyki PAN, wykorzystano „twierdzenie adiabatyczne” mechaniki kwantowej. Twierdzenie to mówi, że orientacja spinu elektronu pozostanie niezmieniona, jeśli zewnętrzne zaburzenie zmienia się powoli, czyli adiabatycznie. W takich warunkach informacja spinowa jest zabezpieczona przed utratą, a jej nośniki mogą się poruszać w układzie półprzewodnikowym na odległość nawet kilkunastu mikrometrów (milionowych części metra).

Eksperymentalna realizacja idei była możliwa za pomocą przyrządu półprzewodnikowego wykonanego w IF PAN. Układ studni kwantowych zbudowano z rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych należących do II i VI grupy układu okresowego pierwiastków (struktura (Cd,Mn)Te z tellurku kadmu silnie domieszkowanego manganem). Rozcieńczone półprzewodniki  magnetyczne charakteryzują się nadzwyczajną czułością spinu elektronu na zewnętrzne pole magnetyczne. Przyrząd z IF PAN skonstruowano w taki sposób, że jego elektrony tworzą dwuwymiarowy gaz. Za pomocą wysokorozdzielczej litografii elektronowej na Uniwersytecie w Ratyzbonie na strukturę naniesiono periodyczną siatkę miniaturowych magnesów z rzadkiego metalu, dysprozu. Po namagnesowaniu, wytworzyły one wolno zmieniające się pole magnetyczne o niewielkiej indukcji 50 militesli.

W tak skonstruowanym tranzystorze spinowym elektrony poruszały się od źródła do drenu pod wpływem pola elektrycznego. Podczas wędrówki kierunek ich spinu dopasowywał się do aktualnego kierunku pola magnetycznego generowanego przez magnesy z dysprozu. Tranzystor był wtedy w stanie włączonym, czyli jego oporność na drodze źródło-dren była mała.

Po przyłożeniu dodatkowego, zewnętrznego pola o indukcji 50 mT, równoważącego lokalnie pole magnesów z dysprozu, na drodze ruchu elektronów powstawały periodyczne miejsca skompensowanego pola magnetycznego, gdzie elektrony, aby przemieszczać się dalej, musiałyby gwałtownie zmienić kierunek swego spinu. Wskutek związanych z tym zjawisk fizycznych, część elektronów jest w tej sytuacji odbijana i opór źródło-dren wzrasta – tranzystor przechodzi w stan wyłączony. Prototyp tranzystora, przedstawiony przez polskich i niemieckich badaczy, działa w temperaturach kriogenicznych.

„W tym doświadczeniu byliśmy dostawcami technologii półprzewodnikowych o wyjątkowych parametrach”, podkreśla prof. Wojtowicz i dodaje, że ruchliwość elektronów w strukturach (Cd,Mn)Te wytwarzanych w IF PAN jest w tej grupie układów największa na świecie. „To efekt siedmiu lat intensywnej pracy nad obecnymi materiałami i niemal 20 lat naszych doświadczeń nad technologiami epitaksji z wiązek molekularnych, które rozwijamy wraz z profesorami Grzegorzem Karczewskim i Jackiem Kossutem w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych IF PAN”, mówi prof. Wojtowicz.

„Udział naszego Instytutu w skonstruowaniu nowego tranzystora spinowego to kolejny spektakularny rezultat, który był możliwy dzięki znaczącym środkom finansowym z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka”, podkreśla prof. dr hab. Leszek Sirko, dyrektor Instytutu Fizyk PAN.

Idea adiabatycznego tranzystora spinowego, zaprezentowana dzięki wyjątkowej jakości polskich układów półprzewodnikowych, w przyszłości będzie mogła być zrealizowana także za pomocą materiałów zbudowanych z innych pierwiastków niż kadm i tellur. Nowe tranzystory i urządzenia mogłby wtedy działać także w temperaturze pokojowej, co byłby wielkim krokiem na drodze do zastosowań spintroniki.