Nagy lépés történt a spin-számítógépek megvalósítása felé

A Wigner FK és a BME kutatói igazolták az ultrahosszú spinélettartam létezését grafitban, ami nagy lépés a spin-számítógépek megvalósítása felé.

Az Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) munkatársai egy nemzetközi kutatási program keretében igazolták, hogy a grafit spinrelaxációs élettartama tízszer nagyobb az eddig vizsgált anyagokra jellemző értéknél. A jelentős áttörésnek számító eredményeket bemutató tanulmány a Nature Communications tudományos folyóiratban jelent meg.

Az informatika fejlődését leíró Moore-törvény (Moore 1965) jóslata szerint hamarosan elérjük azt a mérethatárt, ahol a hagyományos elektronikai eszközökkel már nem növelhető tovább az eszközök sebessége. Ezért az érdeklődés az alternatív informatikai architektúrák, így a kvantumszámítógépek, az emberi agyat utánzó úgynevezett neuromorfikus hálózatok és a spintronikai eszközök felé fordult. Utóbbi fogalom a „spin” és az elektronikából származó „tronika” összeolvasztásból származik.

A spintronika alapgondolata, hogy az elektron sajátperdületét, azaz spinjét mint információhordozó egységet használják fel. E területen a 2000-es évek óta zajlik intenzív kutatás, Albert Fert és Peter Grünberg is a spintronikában elért eredményeikért kapták meg a fizikai Nobel-díjat 2007-ben. A merevlemez-olvasó fejekben már spintronikai elven működő eszközöket használunk, és prototípusként létezik már azonos elven működő véletlen hozzáférésű memória is (RAM). A spin csak relativisztikus hatásokon keresztül kapcsolódik a környezethez, ezért az elektronspinek koherenciája sokkal tovább fenntartható, mint kollektív mozgásuk, azaz áramuk. A spintronikai alkalmazások egyik alapvető kérdése, hogy a közös spinirány mennyi ideig tartható fenn az eszközökben. Ezen az úgynevezett spinrelaxációs időn múlik, hogy egy adott anyag alkalmas-e ilyen célra, vagy sem. A Wigner FK és a BME kutatói egy nemzetközi kutatási program keretében megfigyelték, hogy grafitban ez a spinrelaxációs élettartam tízszer nagyobb az eddig vizsgált anyagokra jellemző értéknél.

A grafén spintronikai felhasználását már többen javasolták

Az emberiség az ókortól kezdve ismeri és számtalan célra – többek között íráshoz, kenőanyagként, csiszoláshoz, anyag-előállításhoz, akkumulátorokban, de akár nukleáris reaktorokban is – használja a grafitot, amely a grafén 2004-es felfedezése óta került újra igazán az érdeklődés középpontjába. A grafén spintronikai felhasználását már többen javasolták, ennek azonban eddig jelentős korlátja volt, hogy spinrelaxációs ideje mindössze néhány nanoszekundum, aminek megfigyeléséhez a grafént rendkívül hidegre, -270 Celsius-fokra kell lehűteni. A kutatás eredményei igazolták, hogy ez az idő grafitban akár száz nanoszekundum is lehet, ami szobahőmérsékleten is elérhető. Bár ez nem tűnik soknak, az elektronok nagy sebessége miatt mégis meghaladja az alkalmazásokhoz szükséges alsó határt.

„Ez jelentős áttörés, és a jövőben előrevetíti a spintronikai eszközök elterjedését… Számomra nagyon izgalmas, hogy egy évtizedek óta aktívan vizsgált és aránylag közönséges anyagról tudtunk új információt adni úgy, hogy ez ráadásul még akár fontos alkalmazásokhoz is elvezethet. Egyben érdekes számomra, hogy négy különböző országban élő magyarok és két szlovák kutató járult hozzá a munkához. A tudomány természetesen teljesen nemzetközi, mégis szívesen dolgozunk honfitársainkkal és regionális szomszédainkkal közösen” – hangsúlyozta Simon Ferenc, a Wigner FK tudományos tanácsadója, a kutatásról szóló publikáció rangidős szerzője.

A Wigner FK és a BME kutatói az École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Svájc), a University of Notre Dame (USA), a Regensburgi Egyetem és a Pavol Jozef Šafárik Egyetem (Kassa) magyar és szlovák munkatársaival közösen jegyzett tanulmányukban bizonyították, hogy az elmúlt nyolcvan évben mindenki tévesen értelmezte a mérési eredményeket, illetve az elméleti leírás elsiklott a grafit ultrahosszú spinrelaxációs idejének létezését megjósoló tulajdonsága felett.