Les chercheurs ont créé un nouveau terrain d'essai pour les systèmes quantiques dans lequel ils peuvent littéralement activer et désactiver certaines interactions de particules, ouvrant potentiellement la voie aux avancées de la spintronique.

L'électronique de transport de spin a le potentiel de révolutionner les appareils électroniques tels que nous les connaissons, surtout quand il s'agit de l'informatique. Alors que l'électronique standard utilise la charge d'un électron pour coder l'information, Les dispositifs spintroniques reposent sur une autre propriété intrinsèque de l'électron :son spin.

La spintronique pourrait être plus rapide et plus fiable que l'électronique conventionnelle, car la rotation peut être changée rapidement et ces appareils consomment moins d'énergie. Cependant, le domaine est jeune et les chercheurs doivent résoudre de nombreuses questions pour améliorer leur contrôle des informations de spin. L'une des questions les plus complexes qui affligent le domaine est de savoir comment le signal transporté par les particules avec un spin, connu sous le nom de courant de spin, se dégrade avec le temps.

"Le signal dont nous avons besoin pour faire fonctionner la spintronique, et pour étudier ces choses, peut se décomposer. Tout comme nous voulons un bon service de téléphonie mobile pour passer un appel, nous voulons que ce signal soit fort, " dit Chuan-Hsun Li, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique à l'Université Purdue. "Quand le courant de spin décroît, nous perdons le signal. "Dans le monde réel, les électrons n'existent pas indépendamment de tout ce qui les entoure et se comportent exactement comme nous l'attendons. Ils interagissent avec d'autres particules et entre différentes propriétés en eux-mêmes. L'interaction entre le spin d'une particule (une propriété intrinsèque) et la quantité de mouvement (une propriété extrinsèque) est connue sous le nom de couplage spin-orbite.

Selon un nouveau document de Communication Nature , le couplage spin-orbite et les interactions avec d'autres particules peuvent considérablement améliorer la décroissance du courant de spin dans un fluide quantique appelé condensat de Bose-Einstein (BEC).

"Les gens veulent manipuler la formation du spin afin que nous puissions l'utiliser pour coder des informations, et une façon de le faire est d'utiliser des mécanismes physiques comme le couplage spin-orbite, " dit Li. " Cependant, cela peut entraîner des inconvénients, comme la perte d'informations sur les spins."

L'expérience a été réalisée dans le laboratoire de Yong Chen, professeur de physique et d'astronomie, et génie électrique et informatique à Purdue, où son équipe a créé quelque chose comme un mini collisionneur de particules pour les BEC. À l'aide de lasers, Des atomes de rubidium-87 dans une chambre à vide ont été piégés et refroidis presque jusqu'au zéro absolu. (Les accros à la physique se souviendront peut-être que les technologies de refroidissement par laser ont remporté le prix Nobel de physique en 1997. Le piégeage au laser a remporté le prix en 2018.)

À ce point, les atomes deviennent un BEC :le plus froid et le plus mystérieux des cinq états de la matière. Au fur et à mesure que les atomes se refroidissent, ils commencent à afficher des propriétés ondulatoires. Dans cet état quantique, ils ont une crise d'identité; ils se chevauchent et cessent de se comporter comme des individus. Bien que le BEC ne soit pas techniquement un gaz, cela pourrait être la façon la plus simple de l'imaginer - les physiciens l'appellent avec désinvolture fluide quantique ou gaz quantique.

À l'intérieur du mini collisionneur de fluide quantique, L'équipe de Chen a envoyé deux BEC avec des vrilles opposées s'écraser l'une dans l'autre. Comme deux nuages ​​de gaz le feraient, ils se pénètrent partiellement, délivrer un courant de spin.

"Beaucoup de phénomènes fascinants se produisent lors de la collision de deux condensats. A l'origine, ils sont superflus, mais quand ils se heurtent, une partie du frottement peut les transformer en gaz thermique, " dit Chen. " Parce que nous pouvons contrôler chaque paramètre, c'est un système vraiment efficace pour étudier ce genre de collisions."

En utilisant ce système, les chercheurs peuvent littéralement activer et désactiver le couplage spin-orbite, ce qui leur permet d'isoler son effet sur la décroissance du courant de spin. Cela ne peut pas être fait avec des électrons dans des matériaux à l'état solide, qui fait partie de ce qui rend ce système si puissant, dit Chen.

Le gaz dit quantique est le système le plus propre que l'homme puisse créer. Il n'y a pas de désordre, ce qui permet de créer un courant de spin pur et d'étudier ses propriétés. Chen espère continuer à utiliser ce terrain d'essai expérimental et son courant de spin bosonique pour explorer davantage de nombreuses questions fondamentales dans le transport du spin et la dynamique quantique.

"Un défi important pour la spintronique et d'autres technologies quantiques connexes est de réduire la désintégration afin que nous puissions propager les informations de spin sur de plus longues distances, plus longtemps, " dit-il. " Avec cette nouvelle connaissance du rôle du couplage spin-orbite, cela peut aider les gens à acquérir de nouvelles connaissances pour réduire la décroissance du spin et potentiellement également concevoir de meilleurs dispositifs spintroniques. »