Elektronene dreier rundt et atom. Men de dreier også rundt sin egen akse. Dette er en egenskap som kalles spinn.

Ny elektronkunnskap kan gi økt regnekraft

Det som skjer når elektroner i to helt spesielle materialer møtes, kan bidra til store forbedringer av dagens superdatamaskiner.

Elektroner er de ladede partiklene som dreier rundt atomer. I metaller overfører elektronene elektriske ladninger ved å forflytte seg fra ett atom til et annet.

Som de for eksempel gjør i den strømførende kobbertråden som finnes i ledninger.

Men ikke nok med at elektronene dreier rundt et atom. De dreier også rundt sin egen akse. Det er en egenskap som kalles spinn.

Spinntronikk er en teknologi som utnytter denne egenskapen hos elektronene.

Spinn som informasjon

Når elektronet spinner, sier man at det har to faser: én oppadgående og én nedadgående. Når elektronet beveger seg, sier kvantefysikere at det befinner seg i ulike kvantetilstander.

Oppadgående og nedadgående fase er eksempler på ulike kvantetilstander hos elektronene.

Kunnskapen om elektronenes bevegelse unyttes blant annet innenfor dataelektronikk. Her bruker man fasene til å representere data.

For eksempel kan man si at ”opp” tilsvarer 1 og ”ned” tilsvarer 0 – nettopp slik data overføres på det mest grunnleggende nivået.

Unikt materiale forsterker spinn

Noen materialer – blant annet enkelte halvmetaller – har den spesielle egenskapen at det bare er i materialets overflate at elektronene kan bevege seg.

Disse materialene kalles topologiske isolatorer.

Et annet fenomen som gjør de topologiske isolatorene spesielle, er måten elektronene beveger seg på. I disse materialene beveger nemlig elektroner i den oppadgående fasen seg i én retning, mens elektronene i den nedadgående fasen beveger seg i motsatt retning.

På denne måten separeres de to kvantetilstandene på en naturlig måte.

I vanlige materialer beveger spinnet seg derimot i alle mulige retninger. Det kreves derfor mye å få sortert kvantetilstandene slik at de kan brukes til informasjonslagring.

Kombinasjon gir nye egenskaper

Fysikere verden over prøver å øke både teoretisk og eksperimentell kunnskap om egenskaper og mulige praktiske anvendelser av de topologiske isolatorene. Her er elektronikk et spesielt aktuelt felt.

Jacob Linder ved NTNUs Institutt for fysikk ønsket å studere kombinasjonen av egenskapene til de to fenomenene topologiske isolatorer og superledere (materialer som leder strøm uten motstand).

I en artikkel i fysikktidsskriftet Physical Review Letters beskriver Linder og medforfatterne hva som teoretisk sett skjer når man gjør dette.

Ved hjelp av matematiske beregninger har de påvist at elektronene i skjæringsfeltet mellom de to materialene blant annet har en uvanlig statistisk fordeling av kvantetilstander.

I tillegg til at disse funnene bidrar til fundamental forståelse av kvantefysikk, kan de være viktige for videre utvikling av kvantedatamaskiner. Det er en type datamaskiner som utfører svært komplekse beregninger mye raskere enn vanlige datamaskiner.

Mer robuste kvantedatamaskiner

De nyoppdagede egenskapene hos elektronene åpner for nye muligheter til lagring av informasjon. Og det at de oppadgående og nedadgående kvantetilstandene blir separert, gjør dem robuste mot feil som kan oppstå i kvantedatamaskiner.

Denne robustheten vil bidra til at den informasjonen elektronene bærer, ikke går tapt selv om det skulle oppstå feil.

Nå håper Linder og hans kolleger at andre forskere vil bekrefte eller avkrefte deres beregninger ved hjelp av eksperimenter.

Referanse:

Linder m.fl.: Unconventional Superconductivity on a Topological Insulator, Physical Review Letters Volume 104 Issue 6, published 9 February 2010, doi: 10.1103/PhysRevLett.104.067001.