Mezinárodní tým vědců představil experimentální realizaci tranzistoru, jehož funkce je založena na spinu elektronu. Práce byla publikována 24. prosince 2010 v časopise Science. Tým tvoří fyzici z Akademie věd České republiky a Univerzity Karlovy, Hitachi Cambridge Laboratory, University of Cambridge a University of Nottingham ve Velké Británii, a Texas A&M University ve Spojených státech.
60 let po objevu tranzistoru je fungování této součástky stále založeno na stejném fyzikálním principu elektrického ovládání a detekce náboje elektronu v polovodiči. Technický pokrok v oblasti tranzistorů se soustřeďoval na zmenšování rozměrů součástek. Ty se posunuly od velikosti stolního zařízení až k rozměrům téměř srovnatelným s meziatomovými vzdálenostmi v pevné látce, a to během neuvěřitelně krátkého období jen několika desítek let. Vzhledem k tomu, že se rychle blížíme k samotné hranici možného zmenšování polovodičových součástek, je potřeba vynalézt nové fyzikální principy jejich fungování. Jednou z intenzivně zkoumaných možností je využití druhé základní vlastnosti elektronu, a to, že kromě náboje nese i elementární magnetický moment, tzv. spin.
Teoretické předpovědi týkající se elektrické manipulace a detekce spinu v polovodiči jsou dnes již více než 20 let staré. Jejich experimentální realizace se ovšem ukázala jako překvapivě složitý probém. Mezinárodní tým za účasti českých vědců využil nedávno objevené kvantově-relativistické efekty jak pro manipulaci, tak i detekci spinu elektronu, sestrojil prototyp spinového tranzistoru a demonstroval na něm jednu z logických operací, na kterých je založena funkce počítače.
K pozorování manipulace a detekce spinů elektronů využil tým speciální fotodiodu umístěnou vedle tranzistorového kanálu. Při osvícení laserovým paprskem jsou opticky vybuzené elektrony injektovány do tranzistoru. Při použití kruhově polarizovaného světla jsou injektované elektrony spinově polarizované. Kvantově-relativistické efekty jsou pak využity k řízené precesi, nebo-li otáčení spinů v závislosti na vstupním elektrickém napětí na hradle tranzistoru. Kvantově-relativistická fyzika zároveň vyvolává elektrická napětí napříč tranzistorovým kanálem, která závisí na lokální orientaci spinů a která reprezentují výstupní elektrický signál tranzistoru.
Tato nová součástka najde široké uplatnění ve výzkumu spinové elektroniky, protože nabízí přímý elektrický způsob manipulace a detekce spinů v polovodiči bez použití složitých magnetických detektorů. Výstupní elektrické signály jsou dostatčně silné i při pokojové teplotě, což nabízí možnost realizace laditelného elektronického polarimetru, který převádí polarizaci světla na elektrický signal. Takovéto elektronické zařízení by mohlo nahradit mechanické polarimetry používané pro detekci molekul v roztocích, například při určování hladiny cukru v krvi nebo ve víně.
Jestli se spinové tranzistory stanou vhodnou alternativou nebo doplňkem dnešních tranzistorů i v oblasti počítačových procesorů je zatím otázka dalšího výzkumu v této oblasti. Nicméně díky výše zmíněné práci se tento výzkum může přesunout z čistě teoretické roviny do oblasti funkčních prototypů mikroelektronických součástek.
Kontakt: Tomáš Jungwirth