باریکه‌ساختن در بافت اسپینی

پژوهش‌گران برای ایجادِ الگویی پایدار از اسپین‌های الکترون در لایه‌ی نازکی از ماده‌ی نیمه‌رسانا، از یک باریکه‌ی گرداب نوری استفاده‌کردند.

حرکتِ اسپینیِ هماهنگ. مواد خاصی وجود دارند که قادر به پشتیبانی از نوعی الگوی اسپینی الکترونی موسوم به مارپیچِ اسپینیِ پایا هستند؛ در نگاره‌ی فوق که این هنرمند(کیث برانز) ترسیم نموده‌، اسپین‌های ردیف‌شده با نوار راه‌راهِ منظم نشان‌داده شده‌است. “بافتِ اسپینیِ” یادشده حتی هنگامِ حرکت در طول ماده با چرخیدنِ هماهنگِ اسپین‌ها پایدار می‌ماند.

در قطعاتِ الکترونیک‌برپایه‌ی‌اسپین(یا اسپین‌ترونیک) از تکنیک‌هایی استفاده می‌کنند تا اسپین‌های الکترون، درونِ الگوهای فضاییِ ایستا موسوم به بافت‌های اسپینی قرار بگیرند. تیمی از پژوهش‌گران به تازگی در آزمایشی نشان داده‌ اند که یک گرداب نوری – یک باریکه‌ی نور که تکانه‌ی زاویه‌ی مداری را حمل می‌کند – می‌تواند بافت اسپینی پایداری را در یک نیمه‌رسانا ایجادکند [۱]. این تیمِ تحقیقاتی ثابت کردند این گرداب، الگوی نواریِ راه‌راهی را ایجاد می‌کنند که کاربردِ بالقوه‌ای در پردازشِ اطلاعات اسپینی دارند. آزمایشاتِ پیشین، این بافت‌های نواریِ راه‌راه را به طور نوری ایجاد کرده‌بودند اما گردابِ نوری ساختاری دارد که با الگوی نواریِ راه‌راه، تقریباً هم‌پوشانی کرده و باعث می‌شود اطلاعاتِ بافتِ‌اسپینی پرسرعت‌تر باشد.
اسپینِ الکترون‌های آزاد در یک ماده را می‌توان با یک میدان مغناطیسی یا نورِ قطبیده هم‌جهت کرد. اما هنگامی که الکترون‌ها از طریقِ پخش یا رسانش حرکت می‌کنند، اسپین‌ها شان در پاسخ به برهم‌کنش‌های معروف اسپین-مدارْ درونِ ماده شروع به چرخش می‌کنند. جهت و آهنگِ این چرخش‌ها برای هر الکترون به مسیری که طی می‌کند بستگی دارد. از این‌رو دو الکترونِ مجاور که شروع به هم‌سو شدن می‌کنند، هنگامی که در مسیرهای مختلف حرکت ‌کنند حتی اگر هم به یک مقصد برسند، خلاف جهت هم قرار می‌گیرند. بنابراین حفظِ بافت اسپین الکترونی، چون یک سرمایه‌گذاری بی‌فرجام است.
اما پژوهشگران دریافته‌اند که می‌توان با کنترل برهم‌کنش‌های اسپین – مدار، بافتی ایجادکرد به طوری‌که آن برهم‌کنش‌ها به طور چشمگیری مثلِ یک میدانِ مغناطیسیِ یک‌طرفه در تمامِ ماده رفتار نمایند [۲]. چنین میدانی اسپین‌ تمام الکترون‌ها را که در طول ماده در جهتی خاص حرکت می‌کنند به‌طور یکنواخت می‌چرخاند، فارغ از این‌که مسیرِ یک الکترونِ منفردْ مستقیم یا به علّتِ پراکندگی زیگ‌زاگ باشد. به این هم-آراییِ میانِ حرکتِ الکترون و چرخشِ اسپین حاصل از یک بافتِ اسپین را مارپیچِ اسپینیِ پایدار (PSH) نام نهادند. حالتِ PSH مناطقی را شامل می‌شوند که اسپین‌های ردیف‌شده‌ا‌ی دارند که نوار‌های راه‌راه را تشکیل می‌دهند. حالتِ یادشده کاربردهای بالقوه‌ای در قطعات اسپین‌ترونیکی نظیرِ ترانزیستورهای اثر – میدانی دارد [۳].

انتقال اسپین. الگوی قطبشِ یک گردباد نوری (چپ)، داخلِ الکترون‌های محدودشده به تک لایه‌ی اتمی درونِ یک ماده‌ی نیمه‌رسانا (وسط)، نقشِ یک الگوی اسپینی بالا (قرمز) و یک الگوی اسپینی پایین (آبی) را می‌اندازد. این الگو سریعاً تبدیل به یک بافت نواریِ راه‌راه (راست) می‌شود.
پژوهش‌گران نشان‌داده‌اند که با تاباندن یک باریکه نور بر مجموعه‌ای از الکترون‌های محدود به تک‌لایه‌ی اتمیِ نیمه‌رسانا، PSHها را تنها در چند نانوثانیه – که در استانداردهای الکترون مدت زمانِ طولانی‌ای است – توانستند تولید کنند. این نور، اسپین‌های الکترون را به خط می‌کند و الکترون‌ها در حینِ پراکندنِ به بیرون از محلّ ِ باریکه، به بافتِ PSH تحول می‌یابند. جو ایشیهارا از دانشگاه علوم‌پایه‌ی توکیو می‌گوید : “چون پخش اسپین لازم است، زمان می‌برد تا الگوی اسپینِ نواریِ راه‌راه با روشی خاص تشکیل شود.”
ایشیهارا و همکارانش روشِ سرراست‌تری ابداع کردند. آنها از یک باریکه‌ی گردابیِ نوری استفاده کردند که قطبش‌اش در یک الگوی چرخشی حولِ ناحیه‌ی مرکزیِ تاریکِ باریکه تغییر می‌کند. تعداد چرخه‌های قطبشْ حول محورِ باریکه، به تکانه‌ی زاویه‌ای مداریِ گرداب وابسته است. با درخشیدن این باریکه بر نمونه‌ی گالیوم آرسنایدِ نیمه‌رسانا، پژوهشگران نقشِ الگوی اسپینی دایره‌ای را روی الکترون‌های یک لایه داخلِ ماده می‌اندازند. اندازه‌ی پچ‌ها در بالا و پایینِ اسپین‌ها در این الگوی اوّلیه، مشابهِ پهنای نوار راه‌راه در بافت PSH مدّ ِ نظرِ تیم بود.
پژوهشگران، بافت اسپینی حاصل را بعدها با کمک یک باریکه‌‌ی پراب که قادر به آشکار کردنِ راستای اسپینِ الکترون است مشاهده کردند. آنها دریافتند که الگوی نوارهای راه‌راه با پهنای ۵میکرومتر در نیمه‌رسانا، تقریبا پس از ۱۰پیکوثانیه از برانگیختگی باریکه‌ی گرداب ظاهر می‌شود؛ در حالی‌که تشکیلِ الگوی نواری راه‌راه هنگام استفاده‌ی تیم از باریکه‌ی لیزر متعارف، ۱۰۰پیکوثانیه زمان می‌برد. ایشیهارا و همکارانش هم نشان دادند که تک باریکه‌ی گردابی علاوه بر تولیدِ سریع‌ترِ بافتِ PSH می‌تواند دو بافتِ PSH را با فازهای مخالف ایجادکند. چنین کنترلی از اسپین با باریکه‌های معمولی را تا کنون کسی انجام نداده بود.
آلن بریستو کارشناسِ اسپین‌ترونیک از دانشگاهِ ویرجینیای غربی اظهار داشت :” این آزمایش، دستکاریِ نوریِ بافتِ اسپین را به ترازِ بعد می‌برد”. او می‌گوید تکانه‌زاویه‌ای مداری در باریکه‌ی گردابی را می‌توان با نوسان-های طبیعی اسپین در الکترون‌ها هماهنگ کرد. بریستو می‌گوید: “این تحقیق، فتحِ‌بابی برای پژوهش‌های بعدی در دست‌کاریِ نوریِ فوق‌سریع بافت‌های اسپین در قطعات نیمه‌رسانا است”.
– مایکل اسکروبر

مترجم: حامد شرقی

آدرس ایمیل: hamed.sharghi@gmail.com

لینک خبر به زبان اصلی: http://physics.aps.org/articles/v16/50