• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Technika 'balistycznego rezonansu spinowego' jako nowatorskie podejście do zjawiska spin flip

    17.04.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Badacze w Niemczech i Kanadzie opracowali nową technikę pod nazwą 'balistyczny rezonans spinowy', który wykonuje tzw. spin flip niesparowanych elektronów bez stosowania pól oscylacyjnych, które nie są łatwe do wygenerowania na mikrochipach. Ta odkrywcza metoda, opisana w czasopiśmie Nature, jest krokiem naprzód w kontrolowaniu spinu w półprzewodnikach i ma implikacje dla obliczeń kwantowych.

    Od około 70 lat naukowcy badają sposób, w jaki elektrony wirują. Elektronowy rezonans spinowy opisuje zjawisko spin flip w niesparowanych elektronach (zwanych też rodnikami). Wzbudzenie elektronowego rezonansu spinowego przy pomocy pól magnetycznych o wysokiej częstotliwości umożliwiło badania mechaniki kwantowej. Jest to przydatne narzędzie, ponieważ takie pole magnetyczne może być stosowane do kontroli przejść pomiędzy stanami spinowymi niesparowanych elektronów.

    Jednakże spin może być również wzbudzany przy pomocy pól elektrycznych o wysokiej częstotliwości w pewnych materiałach; sama oscylacja elektronów tworzy pole magnetyczne, które może oddziaływać na spin elektronów. Poprzednie badania z użyciem zewnętrznych pól elektrycznych dawały pozytywne rezultaty dla zjawiska spin flip w różnych materiałach, włączając w to elektronowe gazy dwuwymiarowe i tzw. kropki kwantowe. Problemem jest to, że pola oscylacyjne ciężko jest wygenerować na chipie.

    W omawianym najnowszym badaniu, dr Siergiej Frołow z University of British Columbia w Kanadzie i jego współpracownicy w Niemczech podeszli do zagadnienia w nietypowy sposób, mając nadzieję, że uda im się manipulować spinami bez stosowania pola oscylacyjnego. Ich metoda z powodzeniem wywołuje ten efekt przy zastosowaniu pola statycznego, co jest szczególnie pożądane w elektronice. Kolejne eksperymenty potwierdziły skuteczność tej techniki.

    Jest ona określana jako balistyczny rezonans spinowy, co oznacza, że elektrony odbijają się w niewielkich kanałach dwuwymiarowego półprzewodnika. Rezonans spinowy uzyskujemy przy pomocy pola magnetycznego, które powstaje jako produkt uboczny interakcji pomiędzy spinem elektronów i ich orbitami. Kolejne odbicia elektronów od ścianek kanału skutecznie powodują, że pole magnetyczne oscyluje. Częstotliwość takiej oscylacji jest korzystna dla zastosowań związanych z rezonansem spinowym.

    Wadą tej metody jest to, że o ile udaje się dzięki niej poddać elektrony działaniu zjawiska spin flip, dzieje się to w sposób przypadkowy; nie ma możliwości manipulacji spinami w taki sposób, by miały określoną orientację. Może to być spowodowane tym, że domieszki z elektronów pozostają na ściankach kanałów a droga odbicia staje się nierówna - elektrony odbijają się od ścianek pod różnymi kątami. W przyszłych badaniach zastosowane zostaną czystsze materiały i zastosowane zostaną techniki ogniskowania elektronów, które umożliwią badaczom lepsze określenie kąta i częstotliwości odbicia.

    W komentarzu, dr Lieven Vandersypen z Delft University of Technology w Holandii zauważa: "W przyszłości można będzie sobie wyobrazić zastosowanie prezentowanej przez autorów techniki spin flip do całych obwodów elektronicznych opartych o półprzewodniki, w których dane są kodowane w stanie spinowym elektronów. Mamy tu wizję spintroniki, która już przyniosła takie odkrycia, jak 'gigantyczny magnetoopór' i w konsekwencji miniaturyzację napędów dysku twardego".

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji można uzyskać na stronie internetowej:

    Nature
    http://www.nature.com/nature/index.html

    Delft University of Technology:
    http://www.tudelft.nl

    Źródło danych: Nature
    Referencje dokumentu: Frolov S.M., et al. (2009), Ballistic spin resonance, Nature 458:868-71, opublikowano w Internecie 16 kwietnia; DOI:10.1038/nature07873.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Magnetyzacja (namagnesowanie) jest właściwością materiałów (m.in. magnesów), która opisuje pole magnetyczne wytwarzane przez materiał. Przez magnetyzację rozumie się także wielkość fizyczną określającą wytwarzane przez materiał pole magnetyczne, definiuje się ją przez określenie momentów magnetycznych wytworzonych w jednostce objętości. Głównymi składnikami magnetyzacji są orbitalne i spinowe momenty magnetyczne elektronów. Lampy mikrofalowe – ogólna nazwa dużej grupy lamp elektronowych pracujących w zakresie bardzo wysokich częstotliwości (mikrofal). Lampy tego rodzaju dzielą się na lampy o sterowaniu gęstością elektronów (tzw. "siatkowe") oraz lampy o sterowaniu prędkością elektronów. Lampy o sterowaniu prędkością elektronów zazwyczaj istotnie różnią się w konstrukcji od "siatkowych" lamp elektronowych . W lampach tych na elektrony emitowane z katody oddziałuje bezpośrednio pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości. Pole elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości może być wytwarzane przez samą lampę (w lampach generacyjnych np. magnetronie czy klistronie refleksowym), lub być wprowadzane z zewnątrz (np. w zwykłym klistronie lub lampie o fali bieżącej). Para Coopera jest to układ dwóch fermionów (np. elektronów) oddziałujących ze sobą poprzez drgania sieci krystalicznej - fonony, opisany przez Leona Coopera i będącym elementem teorii BCS nadprzewodnictwa niskotemperaturowego. Fermiony tworzące parę Coopera mają połówkowe spiny (które są skierowane w przeciwnych kierunkach); jednak wypadkowy spin układu jest całkowity - czyli para Coopera jest bozonem. Elektrony tworzące parę Coopera są opisywane przez funkcje falowe z przeciwnymi wektorami falowymi. W 1956 roku Leon Cooper wykazał, że prąd elektryczny w nadprzewodnikach jest przenoszony nie przez pojedyncze elektrony, lecz pary związanych elektronów, zwane parami Coopera.


    Dyfrakcji elektronów o niskiej energii (LEED) (ang. Low Energy Electron Diffraction) – technika badawcza stosowana w celu określenia struktury powierzchni materiałów krystalicznych polegająca na bombardowaniu skolimowaną wiązką elektronów o niskiej energii (20-200 eV) powierzchni i obserwacji dyfrakcji elektronów na ekranie fluorescencyjnym. Używana jest również nazwa dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów. Zawór spinowy (SV – spin valve) - cienkowarstwowy układ typu AF/F1/NF/F2, wykazujący gigantyczny magnetoopór. Schematycznie układ warstwowy typ zawór spinowy pokazano na rys. 1.

    Emisja wtórna jest rodzajem emisji elektronów zwanych wtórnymi z powierzchni ciała stałego, pod wpływem działania na to ciało wiązki elektronów (bądź jonów lub innych cząstek) o dostatecznie dużej energii.
    Emisja tego rodzaju składa się z trzech etapów:
    1. Wzbudzenie elektronów w ciele stałym do wyższego poziomu energetycznego,
    2. Transport wzbudzonych elektronów do granicy ciało stałe-próżnia,
    3. Emisja elektronów. Magnetron to rodzaj lampy mikrofalowej, samowzbudne urządzenie oscylacyjne oparte na zjawisku rezonansu, które przetwarza wejściową energię prądu stałego na energię elektryczną wysokiej częstotliwości. Przetwarzanie energii odbywa się w specjalnie ukształtowanej komorze anodowej umieszczonej w silnym polu magnetycznym. Elektrony wysyłane przez katodę przyciągane są przez anodę, a tor i ich prędkość modyfikowane są przez pole magnetyczne i kształt komory anodowej.

    Spektroskopia EPR (spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego, zwana również elektronowym rezonansem spinowym, ESR, dla odróżnienia od rezonansu cyklotronowego) – technika spektroskopii pozwalająca na wykrycie substancji zawierających jeden lub więcej niesparowanych elektronów, takich jak wolne rodniki, jony metali przejściowych, pierwiastki ziem rzadkich, aktynowce, defekty w dielektrykach i węglu oraz elektrony przewodnictwa w metalach i półprzewodnikach. Szkło spinowe – rodzaj materiału magnetycznego, wykazujący lokalne uporządkowanie spinów (momentów magnetycznych), lecz nie posiadający wypadkowego momentu magnetycznego. Ze szkłem spinowym mamy do czynienia, gdy momenty magnetyczne rozmieszczone są przypadkowo w sieci krystalicznej, a oddziaływanie spinu z pierwszym sąsiadem ma naturę ferromagnetyczną, a z drugim antyferromagnetyczną. Oddziaływanie o charakterze ferromagnetycznym między momentami magnetycznymi następuje przez poruszające się elektrony przewodnictwa. W przypadku szkieł spinowych struktura materiału i rodzaj oddziaływań prowadzi do frustracji spinów (sprzeczne oddziaływanie z najbliższymi i drugimi sąsiadami) co sprawia, że energia układu ma wiele minimów. Konsekwencją powyższego jest płynięcie układu w czasie, tzn. wolne zmienianie się struktury spinowej – co jest cechą charakterystyczną szkieł spinowych.

    Spin doctor, spin doktor – określenie specjalisty zazwyczaj pracującego przy prominentym polityku w roli rzecznika prasowego, którego zadaniem jest ochrona reputacji lub popularności pracodawcy przed czynnikami mogącymi im zaszkodzić, poprzez odpowiednie interpretowanie faktów i zjawisk (tzw. spin). W jego zakresie działania jest również przekuwanie wad i niedociągnięć pracodawcy w sukces - najczęściej wyborczy, oraz dyskredytowanie przeciwników politycznych.

    Wrist spin - w krykiecie technika rzucania w stylu slow. W momencie rzutu bowler ruchem nadgarstka do przodu powoduje że opuszczająca dłoń piłka ociera się o mały palec co nadaje jej rotację sprawiając, że w momencie odbicia się od pitchu piłka poważnie zmienia kierunek ruchu. Prostszą techniką stylu slow jest finger spin który jednak nie podkręca piłki w tym samym stopniu co wrist spin.

    Emisja polowa – (emisja autoelektronowa lub emisja zimna) emisja elektronów z przewodnika lub półprzewodnika pod działaniem silnego pola elektrycznego występującego w pobliżu powierzchni ciała. Spawanie elektronowe, właściwie spawanie wiązką elektronową - rodzaj techniki spawania metali, polegające na nagrzewaniu miejsca łączenia przy pomocy wiązki elektronowej. Do spawania tą techniką służy spawarka elektronowa, w której źródłem elektronów jest działo elektronowe. Elektrony są przyspieszane napięciem rzędu dziesiątków kV. Charakterystycznymi cechami spawania elektronowego jest to, że spawanie odbywa się najczęściej w środowisku próżni rzędu 10 Tr a także to, że spoina tworzy się przez stopienie brzegów łączonych detali.

    Lampa z wyjściem indukcyjnym (klistroda) (ang. Inductive Output Tube, IOT) jest lampą mikrofalową przeznaczoną do wzmacniania sygnałów wielkiej częstotliwości UHF. Stanowi ona skrzyżowanie klistronu i triody. Składa się z katody wysyłającej elektrony, zespołu elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę, siatki, anody przyśpieszającej oraz rezonatora i kolektora. Emitowane przez katodę elektrony są formowane (skupiane) w wąską wiązkę i przyspieszane przez anodę. Natężenie wiązki elektronów w tej lampie jest modulowane za pomocą siatki (tak. jak np. w triodzie). W związku z tym sygnał wejściowy jest podawany pomiędzy siatkę a katodę. Skupiona wiązka elektronów przechodzi następnie przez rezonator, równoważny rezonatorowi wyjściowemu klistronu. Pobudzony tą wiązką rezonator emituje pole elektromagnetyczne, które jest wyprowadzane na zewnątrz lampy jako wzmocniony sygnał użyteczny. Elektrony kończą swój bieg na kolektorze.
    Lampy z wyjściem indukcyjnym zostały wynalezione i opatentowane w końcu lat 30. XX w. W latach 80. ponownie znalazły zastosowanie w nadajnikach telewizyjnych UHF dużej mocy zastępując mało wydajne klistrony. Left-arm orthodox spin to rodzaj techniki bowlingu w krykiecie. Jest wykonywany wyłącznie przez leworęcznych bowlerów używających palców do podkręcenia piłki (w przeciwieństwie do bowlerów podkręcających piłkę ruchem nadgarstka) tak, aby skręcała z prawej do lewej strony pitchu. Leworęczni spinnerzy zazwyczaj rzucają piłkę w powietrze tak, aby dla praworęcznego batsmana (odbijającego) tak, aby ta odchodziła w jego prawą stronę, czyli na jego off side. Piłka rzucana przez bowlerów używającej tej techniki leci stosunkowo powoli. Technika ta jest jednak uważana za ofensywną.

    Metoda Kohna-Shama to praktyczna realizacja DFT, najszerzej stosowana. Istotne w niej jest zastąpienie oddziaływań pomiędzy elektronami (problem wielu ciał) koncepcją nieoddziałujących explicite wzajemnie (ale oddziałujących z jądrami i polem zewnętrznym) elektronów, poruszających się w efektywnym potencjale. Potencjał ten uwzględnia oddziaływania dwuelektronowe (korelację kulombowską) oraz korelację wymienną (statystyczną), a także poprawkę do funkcjonału kinetycznego (różnicę między funkcjonałem dla fikcyjnych elektronów nieoddziałujących, a funkcjonałem dla elektronów prawdziwych) i poprawkę zmniejszającą energię samoodziaływania, która w metodzie Hartree-Focka jest tożsamościowo kasowana przez odpowiednie wyrazy całek kulombowskich i wymiennych. Kluczowy jest wybór tego potencjału w taki sposób, że gęstość nieoddziałujących elektronów jest taka, jak prawdziwych.

    Dodano: 17.04.2009. 15:11  


    Najnowsze