Spin: droga do swobody


Wirujący biznes

Spintronika dopiero rozwija techniki, które pozwolą na kontrolowanie wstrzykiwania i transport spolaryzowanych elektronów oraz ich detekcję bez stosowania silnych pól magnetycznych. Dodatkowo układy kwantowe wykazują tendencję do szybkiej dekoherencji w wysokich temperaturach, a za takie uchodzą tu temperatury pokojowe. Postępy poczynione w ostatnich latach sugerują, że trudności zostaną niedługo przezwyciężone.

Spin: droga do swobody

Prace nad fizyką zjawisk spintronicznych wciąż trwają. Na zdjęciu sześciokomorowa aparatura wysokopróżniowa w laboratorium SpinAps firmy IBM, służąca do tworzenia nowych nanomateriałówi badania ich właściwości.

Obiecujące wydają się zwłaszcza możliwości wykorzystania w jednym układzie zarówno magnetycznych właściwości ferromagnetyków, jak i elektrycznych oraz optycznych cech półprzewodników w zakresie wzmacniania sygnałów. Własności optyczne półprzewodników są także interesujące, gdyż dzięki możliwości przekazywania momentu pędu między fotonami a elektronami można przekształcać sygnał optyczny na informację magnetyczną i odwrotnie. Spintronika otwiera zatem możliwość - w obrębie jednego procesora! - doboru całkowicie różnych zjawisk fizycznych optymalnie do realizowanych zadań. Jednoukładowy procesor mógłby przetwarzać informacje dzięki ładunkom elektrycznym elektronów, operować na danych zapisanych dzięki ich spinom i komunikować się ze światem zewnętrznym za pomocą fotonów.

Co dalej?

Pierwsze prace naukowe z zakresu określanego obecnie mianem spintroniki opublikowano już w 1936 roku. Pomimo tak długiego czasu badań fizycznych technologia spintroniczna w zastosowaniach komputerowych stawia dopiero pierwsze kroki. Układy MRAM właśnie wchodzą na rynek, a spintroniczne procesory pojawią się prawdopodobnie nie wcześniej niż w ciągu dekady. Ultraszybki, niewymagający intensywnego chłodzenia (więc cichy!) i pobierający niewiele prądu komputer z reprogramowalnym w czasie rzeczywistym magnetycznym procesorem i łączami optycznymi, na dodatek gotowy do pracy natychmiast po włączeniu prądu? Brzmi jak bajka, ale dzięki spintronice ta wizja nie wydaje się odległa o więcej niż kilkanaście lat.

<hr size=1 noshade>Zakręcony spin

Spin cząstki elementarnej (fotonu, elektronu itp.) potocznie jest utożsamiany z jej ruchem obrotowym, na przykład przez analogię do zabawki-bąka. Tymczasem w mechanice kwantowej elektron jest punktem, a mówienie o wirowaniu punktu nie ma sensu. Czym zatem jest spin?

Spin: droga do swobody

Spin (czerwona strzałka) jest własnością cząstek elementarnych związaną z obrotami (symbolizuje je strzałka niebieska). Jest to cecha tak fundamentalna, jak ładunek elektryczny lub masa. Cząstka nie może - w przeciwieństwie do bąka - zmienić swojego spinu, gdyż jest on integralną częścią jej samej. Wartość spinu nie może przyjmować dowolnej wielkości, lecz wyłącznie ściśle określoną - skwantowaną. Spin elektronu może być równy tylko dwóm wartościom: 1/2 i -1/2. Obrazowo przyjmuje się, że odpowiadają one obrotom elektronu zgodnie z ruchem wskazówek zegara (wektor "w górę") i przeciwnie (wektor "w dół"). Spin w połączeniu z ładunkiem elektrycznym odpowiada za pole magnetyczne wokół elektronu (fioletowe linie).

Przedstawienie spinu jako wirowania elektronu wokół osi jest jednak bardzo uproszczone i sprawia wrażenie, jakby spin był czymś dodatkowym dla cząstki, tak jak ruch wirowy jest pewnym dodatkiem do bąka, mogącego przecież zupełnie spokojnie istnieć bez wirowania. Tymczasem cząstki elementarne nie mogą zmienić wartości swojego spinu, gdyż stałyby się wówczas diametralnie innymi cząstkami, nie mogą też przestać "wirować".

W tej sytuacji spin elektronu najlepiej wyobrażać sobie jako pewną cechę cząstki elementarnej, związaną z obrotem, którą można reprezentować graficznie jako wektor skierowany w górę lub w dół. Szukanie głębszych analogii do codzienności nie jest wskazane.