Spintronika plus kvantum: PSI-kutató jelentős támogatást kap

Giacomo Sala a PSI Neutron- és Myonkutató Központjának kísérleti fizikus. A Q-GEOMSPIN projektjéhez az EU pénzügyi támogatást kap: az Európai Kutatási Tanács (ERC) kezdő támogatását. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer

– A PSI-fizikus Giacomo Sala körülbelül 2,2 millió CHF támogatást kap az Európai Kutatási Tanácstól (ERC).
– A Q-GEOMSPIN projektben két kutatási területet ötvöz, amelyek eddig nagyrészt külön vizsgáltak.
– Ez a alapkutatás hosszú távon energiatakarékosabb adattárolókat és processzorokat eredményezhet.

A PSI-fizikus Giacomo Sala megkapta az egyik legkeresettebb támogatást az Európai Kutatási Tanácstól (ERC) – egy úgynevezett Starting Grantet. Az ERC támogatja Sala projektjét, a Q-GEOMSPIN-t 2,3 millió euróval (körülbelül 2,2 millió CHF) az elkövetkező öt évben. Mivel Svájc 2025 végétől ismét teljes mértékben részesül az Európai Unió kutatási támogatási programjaiban, Sala ezt a finanszírozást közvetlenül az ERC-től kapja.

A Sala előrelépésének különlegessége két kutatási terület – spintronika és kvantumgeometria – egyesítése egy új kutatási területté. Ennek az eredmények hosszú távon új lehetőségeket nyithatnak a spintronikus adattárolásban. Emellett segíthetnek kis energiamennyiségek nyerésében és új anyagtulajdonságok kifejlesztésében is.

A Q-GEOMSPIN ötlete Salának a tudományos pályafutása során két állomásán született. Doktori tanulmányai során a ETH Zürich-en a spintronikát és a magnetizmust kutatta. Később, a genfi egyetemen posztdoktori kutatóként a kvantumgeometriával foglalkozott. Mindkét perspektíva összekapcsolása kérdést vetett fel benne, hogy a kvantumgeometria eddig figyelmen kívül hagyott spintronikus effektusokat hoz-e létre. „Amennyire tudom, eddig senki sem kötötte össze kísérletileg ezeket a területeket,” mondja a PSI Neutron- és Myonkutató Központjának kísérleti fizikusa.

Fehér folt a spintronika térképén

A spintronika egy harminc éve kialakult tudományterület. Jelentőségét egy 2007-es fizikai Nobel-díj hangsúlyozza, amelyet a kutatásáért ítéltek oda. A spintronika a elektron saját forgására, a spinre, alapozva tárol információkat.

Az utóbbi években azonban kiderült, hogy a spintronikának van egy fehér foltja a térképén: a elméleti fizikai munkák arra utalnak, hogy bizonyos spintronikus jelenségek jósolhatók, megérthetők és kontrollálhatók a fiatal kvantumgeometria segítségével. Konkrétan a kvantumgeometria egyik alágazatáról, a kvantummetrikáról van szó.

A kvantummetrika ötletének szemléltetésére Sala egy analógiát használ: a gravitációt. A gravitációs erő miatt kering a Föld a Nap körül. Albert Einstein szerint azonban ennek helyes magyarázata a tér görbülete, amit a Nap tömege okoz. „Hasonló a helyzet az elektronok esetében, amikor egy szilárdtestben mozognak,” mondja Sala. A kvantummetrika miatt a impulzustér görbül. Ezt az elektronok „érzik meg”, és ennek megfelelően eltérülnek.

A Giacomo Sala a most kapott támogatással két PhD-hallgatót és egy posztdoktori szintű személyt tud alkalmazni. Ezzel a kis csapattal a Q-GEOMSPIN keretében többek között topológiai anyagokat vizsgálnak majd. Ezek olyan szilárdtestek, amelyek belül szigetelők, de a felületükön elektromos áramot vezetnek. Programban szerepelnek oxidikus vegyületek és két-dimenziós, úgynevezett Van-der-Waals anyagok, például a grafén is.

Az elektronikától a kvantumgeometriáig

Az elektronika csak az elektron töltését használja: az áram vagy folyik, vagy nem – ebből származnak a digitális adatokban a nullák és az egyesek. Azaz a töltés mozgását használja.

A spintronika egy másik tulajdonságot is hozzáad: a spin-t, az elektron kvantummechanikai saját forgási impulzusát. Egyszerűen fogalmazva: az elektronok felfelé vagy lefelé irányuló orientációját. Ezt a tulajdonságot információátvitelre lehet használni.

A kvantumgeometria leírja az elektronhullámfüggvények geometriai szerkezetét a szilárdtestben. Egy része, a kvantummetrika, úgy működik, mint egy beépített gravitáció az anyagba, és eltereli az elektronokat. Az újdonság a kvantummetrikában az, hogy ez a geometria maga is irányítási eszközzé válhat, és összekapcsolható a spinnel.

Szinkrotronfény és nanotechnológia: A PSI biztosítja a szükséges infrastruktúrát

Saláék struktúrákat fognak készíteni és mérni, amelyek mindössze néhány mikrométeresek. Ezeket közelítik az abszolút hőmérséklet nulla fokához (minusz 273,15 Celsius-fok). Ehhez a PSI egy különleges kriosztátot hoz létre az ERC-támogatásból: egy hűtőberendezést, amely erős mágneses mezőket is képes generálni. Ebben elektromos áramot vezetnek a mintán, és mérik az elektronok eltérülését. A kutatók kifejezetten nemlineáris hatásokat keresnek, vagyis amikor a feszültség vagy a mágneses tér kis változásai nagy változásokat okoznak a mérésben. Ezekben az eltérésekben a kvantumgeometria jeleit várják.

Az, hogy Sala az PSI-hez jött a projektjével, annak stratégiai kutatási irányításával és egyedi infrastruktúrájával függ össze. Az új „Quantum Matter and Materials Center” (QMMC) az PSI-n belül összegyűjti a különböző PSI-kutatócsoportok munkáját a kvantumanyagok és -anyagok területén. A Q-GEOMSPIN kiválóan illeszkedik ehhez az új kvantumkutatási központhoz.

Így az PSI minden olyan létesítményt biztosít, amelyre Sala és csapata szüksége lesz anyagok előállításához és jellemzéséhez, mikroelemek gyártásához, valamint alacsony hőmérsékleteken végzett mérésekhez. Többek között a SLS szinkrotronfényforrást és az új PSI tisztatér „PICO”-t fogják használni, amelyet a nanotechnológiai kutatócsoport vezet, és kiválóan alkalmas a kis méretű elemek gyártására. Az PSI Spallációs Neutronforrása, a SINQ is érdekes lehetőségeket kínálhat a kutatásukhoz.

A Q-GEOMSPIN végre áttörést hozhat a spintronikában. A 1980-as években felfedezett óriásmágneses ellenálláson kívül, amely gyorsan növelte a számítógépes merevlemezek tárolókapacitását, eddig kevés kereskedelmi alkalmazás létezik. A jövőben erősebb spintronikus tárolók (MRAM) vagy az agy mintájára működő számítógépes processzorok lehetnek a célok. Emellett egzotikus ötletek is felmerülnek, például energia gyűjtése kihasználatlan WLAN-sugárzásokból. Sala azonban reálisan látja a helyzetet: „A Q-GEOMSPIN tiszta alapkutatás. De ez fontos ahhoz, hogy alkalmazásokat fejlesszünk ki belőle.”