Det er vanligvis ikke mulig å oppnå visse egenskaper i interessante materialer uten å bryte naturens krav til symmetri, men den nye oppdagelsen utfordrer dette synet. Foto: Thinkstock

Ett skritt nærmere kvantedatamaskiner

Forskning fra NTNU kan blant annet bidra til utviklingen av mye raskere datamaskiner som bruker mye mindre energi.

Wolfram. Foto: Thinkstock

Wolfram. Foto: Thinkstock

KVANTEDATAMASKINER: Forskere ved NTNU har bidratt til en ny oppdagelse. Det er vanligvis ikke mulig å oppnå visse egenskaper i interessante materialer uten å bryte naturens krav til symmetri, men den nye oppdagelsen utfordrer dette synet.

Dette kan få store praktiske konsekvenser. På legmannsspråk betyr det at reglene har endret seg slik at vi må endre måten vi tenker på når det utvikle maskiner som kvantedatamaskiner.

Nye konsepter og nye materialer er nå tilgjengelig. Det betyr et stort steg frem i utviklingen av datamaskiner med høy hastighet og lavt energiforbruk.

Spinntronikk

Arbeidet ved NTNU ledes av Justin Wells, førsteamanuensis ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Det nye fagfeltet spinntronikk er en del av elektronikken som tar for seg elektronenes spinn. Elektronspinn er egentlig en kvantefysisk egenskap som upresist kan illustreres ved at elektronet roterer og dermed skaper et magnetisk felt.

– Innenfor normal elektronikk finner vi like mange elektroner i alle spinnretninger, men innenfor spinntronikkmaterialer er bare helt spesielle spinnretninger tillatt, ifølge Wells.

De banebrytende resultatene innenfor feltet er publisert i Nature Physics, den verdensledende journalen for fysikere. Resultatene kan også finnes her.

Symmetri kan beholdes

Wells forklarer det slik: Mange fysiske fenomener oppstår på grunn av symmetri eller at symmetri brytes opp: Egenskapene til krystaller, magneter og superledere er diktert av symmetriene som finnes.

Hittil har forskerne trodd at det å bryte symmetrien (enten «time-reversal-symmetrien» og/eller «inversjonssymmetrien») er nødvendig for en in-ekvivalens av «spin-up» og «spin-down» elektroner.

Artikkelen i Nature Physics demonstrerer dette ikke er sant, påpeker Justin Wells.

Dette prosjektet er et internasjonalt samarbeid mellom NTNU, St. Andrews (Skottland), Aarhus (Denmark), Tokyo (Japan), MPI Stuttgart (Germany), Suranaree (Thailand) og synkrotronlyskilder i Storbritannia (Diamond) og Sverige (MAX-III). Foto: Per Henning, NTNU

Dette prosjektet er et internasjonalt samarbeid mellom NTNU, St. Andrews (Skottland), Aarhus (Denmark), Tokyo (Japan), MPI Stuttgart (Germany), Suranaree (Thailand) og synkrotronlyskilder i Storbritannia (Diamond) og Sverige (MAX-III). Foto: Per Henning, NTNU

– Vi ser på et spennende materiale, wolframdiselenid (WSe2). Verken inversjonssymmetri eller time-reversal-symmetrien er brutt, men vi viser at en sterk spin-anisotropi er til stede – noe som tyder på at det er et ideelt grunnmateriale for fremtidig lavenergi, høyhastighets spinntronikkenheter, sier han.

Spin-anisotropi betyr at spin har en spesiell orientering.

Forskningen ved NTNU er helt banebrytende. Du har et materiale som følger alle de vanlige symmetriregler, men likevel er en sterk spinanisotropi tillatt.

– Vi viser at denne overraskende situasjonen oppstår på grunn av det uvanlige arrangementet av atomer i de to-dimensjonale sub-gitterne. Vårt arbeid utfordrer et grunnleggende begrep i faste stoffers fysikk; er det virkelig så nødvendig som alle tror å bryte symmetrien? spør Wells.

Dette betyr et steg nærmere dataoverføring som ikke er avhengig av å flytte elektroner, men istedenfor endrer elektronenes spinn. I kvantedatamaskiner gjør den komplekse bruken av spinn-anisotropi at du får mye mer effektiv databehandling med et minimalt forbruk av energi.

Til sammenligning prosesserer tradisjonelle datamaskiner bare to ting: Av eller på. Dette innebærer høyere strømforbruk og tregere databehandling.

Kunnskap flytter

Dette prosjektet er et internasjonalt samarbeid mellom NTNU, St. Andrews (Skottland),  Aarhus (Denmark), Tokyo (Japan), MPI Stuttgart (Germany), Suranaree (Thailand) og synkrotronlyskilder i Storbritannia (Diamond) og Sverige (MAX-III).

Synkrotronstråler er intense ultrafiolette- og røntgenstråler som er nødvendige for å utføre disse eksperimentene.

Selen. Foto: Thinkstock

Selen. Foto: Thinkstock

Førsteamanuensis Wells og hans lille, men dedikerte gruppe ved NTNU har bidratt med lang erfaring i «spin resolved photoemission», en banebrytende teknikk som gjør det mulig å måle elektronspinn direkte.

Men det å bidra til verdensledende forskning er ikke alltid nok. Fra NTNU-gruppen har medforfatteren Cecilie Granerød nå flyttet til UiO for å begynne på doktorgradsarbeidet der, siden det fantes penger til en slik stilling i Oslo, men ikke i Trondheim.

– I fremtiden ønsker vi å skaffe doktorgradsfinansiering slik at vi kan fortsette vår forskning på dette nye feltet, sier Wells.