Исследование – изданный в выпуске в пятницу журнала Science – приносит физике шаг ближе к практическим машинам, которые работают «spintronically», а также в электронном виде: сверхбыстрые квантовые компьютеры, более компактные устройства хранения данных и пластмассовые или органические светодиоды или OLEDs, более эффективный, чем используемые сегодня в экранах дисплея для сотовых телефонов, компьютеров и телевизоров.«Мы показали, что можем использовать комнатную температуру, пластмассовые электронные устройства, которые позволяют нам видеть ориентацию самых крошечных магнитов по своей природе – вращения в самых маленьких атомных ядрах», говорит преподаватель физики Кристоф Беме, один из основных авторов исследования. «Это – шаг, который может привести к новым способам хранить информацию, произвести лучшие показы и сделать более быстрые компьютеры».
Эксперимент – намного более практическая версия исследования Boehme и коллеги, изданные в Науке в 2010, когда они смогли прочитать ядерные вращения от атомов фосфора в обычном кремниевом полупроводнике. Но они могли только сделать так, когда аппарат был охлажден к минус 453,9 градуса по Фаренгейту (почти абсолютный нуль), был засыпан интенсивными микроволновыми печами и выставлен суперсильным магнитным полям.
В новых экспериментах физики смогли прочитать ядерные вращения двух изотопов водорода: единственный протон и дейтерий, который является протоном, нейтроном и электроном. Изотопы были включены в недорогой пластмассовый полимер или органический полупроводник под названием MEH-PPV, OLED, который пылает оранжевым когда электрические токи.Исследователи щелкнули вращениями водородных ядер, чтобы управлять течением электрического тока хотя OLED, делая ток более сильным или более слабым. Они сделали это при комнатной температуре и без сильной легкой бомбардировки или магнитных полей – другими словами, в нормальных условиях работы для большинства электронных устройств, говорит Боехм.
«Этот эксперимент замечателен, потому что магнитные силы, созданные ядрами, являются миллионами времен, меньших, чем электростатические силы, это обычно ведет ток», все же они смогли управлять током, говорит он.Использование ядерных вращений может увеличить эффективность «электронных материалов, из которых сделана такая технология», добавляет Боехм. «Это также поднимает вопрос, может ли этот эффект использоваться для технологического применения, такого как компьютерные микросхемы, которые используют ядерные вращения в качестве памяти и нашего метода как способ прочитать вращения».
Американское Министерство энергетики финансировало новое исследование, и физики использовали средства Университета Науки Исследования Материалов Юты и Технического Центра, финансируемого Национальным научным фондом.Boehme провел исследование с поддерживающим Университетом физиков Юты: первый автор и постдокторант Ханс Мэлисса; преподаватель исследования и co-ведущий-автор Джон Лаптон, который также находится на способности Университета Регенсбурга, Германия; выдающийся преподаватель З. Вэли Вардени; преподаватель Брайан Саам; аспиранты Марзих Кэвэнд и Дэвид Уотерс; и постдокторант Кипп ван Скутен.
Другим соавтором был Пол Берн из Университета Квинсленда Австралии.Spintronics: хранить данные в атомных ядрахЭлектронные устройства используют электрический ток или электроны, которые являются отрицательно заряженными частицами, вращающимися вокруг ядер или центров атомов.
Современные компьютеры хранят данные в электронном виде: данные хранятся как двойные «биты», в которых ноль представлен «прочь», или никакое электрическое обвинение, и каждый представлен «на» или присутствие электрического обвинения.В spintronics данные хранятся вращениями или электронов или, предпочтительно, атомные ядра. Вращение часто по сравнению с крошечным стержневым магнитом как стрелка компаса, или подчеркивание или вниз – представление того или ноля – в электроне или ядре атома. Ядерные ориентации вращения, живые дольше, так лучше для того, чтобы хранить данные.
Исследование 2010 года Boehme и коллег показало, что ядерные вращения фосфора в кремниевом полупроводнике могли управлять электрическим током, но при непрактично низких температурах и сильных магнитных полях. Они должны были использовать магнитные поля, чтобы выровнять вращения электронов фосфора в том же самом направлении, и затем использовать интенсивный свет, чтобы передать то же самое выравнивание вращениям ядер фосфора. Тогда они бомбардировали полупроводник радиоволнами, чтобы полностью изменить ядерные вращения и управлять током.
Боехм говорит, что ученые ранее утверждали, что током в пластмассовых полупроводниках – известный официально как спрягаемые пи полимеры – могут управлять ядерные вращения в водороде. До нового исследования, «никто никогда не показывал его непосредственно» при комнатной температуре, поворачивая ядерные вращения, чтобы изменить электрический ток, добавляет он.
Новое исследованиеВ новых экспериментах физики использовали магнитный резонанс, чтобы полностью изменить ядерные вращения в водородных изотопах, включенных в OLED, и затем смогли обнаружить, как обратные вращения вызвали изменение в электрическом токе через OLED.В первых двух экспериментах говорит Боехм, физики сделали ядерные вращения в протоне и покачивание дейтерия характерными способами, и смогли прочитать соответствующие покачивания в получающемся электрическом токе. В третьем эксперименте они щелкнули вращениями назад и вперед по уровню, который они хотели вместо на характерных частотах.
«Это работало», говорит Боехм. «Это показывает, что Вы можете повернуть ядерное вращение, когда Вы хотите, и только тогда ток оборачивается. Мы можем управлять током, управляя ядерными вращениями».Исследователи измерили текущее изменение непосредственно, но не получающиеся изменения в светоотдаче OLED – изменения, настолько небольшие, они не обнаружимы невооруженным глазом.И в 2010 и в новых исследованиях, физики не прочитали вращения отдельных ядер, но коллективные вращения больше чем 1 миллиона ядер за один раз.
Конечная цель должна быть в состоянии прочитать вращения ядер индивидуально.«Если бы Вы хотите хранить информацию, самая высокая плотность хранения должна была бы хранить информацию в единственных ядерных вращениях», говорит Боехм. Начиная с исследования 2010 года другие физики достигли этого в ядрах фосфора, добавляет он.Выгода Spintronics
Храня информацию, используя оба вращения и электрическое обвинение, spintronic устройства должен иметь большую вместимость и обработать данные более быстро – хотя у исследователей все еще есть годы, чтобы пойти, чтобы выяснить, как соединить и обработать spintronically хранившую информацию в футуристических компьютерах, обычных и квант.«Мы не знаем, если его пять лет, 50 лет или никогда», говорит Боехм.Все же он говорит, что spintronics уже привел к сегодняшним жестким дискам размера терабайта, которые используют spintronic, «читает головы», столь маленькие, что данные могут храниться более плотно.
В 2012 Boehme и коллеги показали тот же самый spintronic OLED в новых работах исследования как «очень дешевый» датчик магнитного поля при комнатной температуре, не будучи скомпрометированным деградацией. Такие датчики могут позволить более точные относящиеся к космическому кораблю навигационные системы, говорит он.
Поскольку ядерный управляемый вращением электрический ток регулирует продукцию света OLED, это обеспечивает способ учиться, как сделать OLEDs более эффективный. OLEDs преобразовывают намного больше электричества в свет, чем лампы накаливания, которые превращают большую часть поступающего электричества в тепло.
Но есть намного больше места для повышенной эффективности.«Хотелось бы надеяться, OLEDs станет лучше – используют меньше электричества и производят более легкий – потому что мы изучили здесь, как ориентация ядерных вращений влияет, как хорошо работы OLED», говорит Боехм. «Любой вид ограничения эффективности может только быть преодолен, если механизм, который налагает это ограничение, понят».