Spintronik plus Quanten: Badacz PSI otrzymuje znaczące dofinansowanie

Giacomo Sala jest fizykiem eksperymentalnym w Centrum Badań nad Neutronami i Mionami PSI. Na potrzeby swojego projektu Q-GEOMSPIN otrzymuje dofinansowanie z UE: Starting Grant od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ERC. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer

– Fizyk PSI Giacomo Sala otrzymuje około 2,2 milionów CHF od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC).
– W projekcie Q-GEOMSPIN łączy dwa obszary badawcze, które do tej pory były badane głównie oddzielnie.
– Z tych badań podstawowych mogą w przyszłości powstać bardziej energooszczędne pamięci danych i procesory.

Fizyk PSI Giacomo Sala otrzymał jedno z prestiżowych dofinansowań Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ERC – tzw. Starting Grant. ERC wspiera projekt Sala Q-GEOMSPIN kwotą 2,3 miliona euro (około 2,2 miliona CHF) na najbliższe pięć lat. Ponieważ Szwajcaria od końca 2025 roku ponownie jest w pełni związana z programami finansowania badań Unii Europejskiej, Sala otrzymuje to finansowanie bezpośrednio od ERC.

Wyjątkowość inicjatywy Sala polega na połączeniu dwóch dziedzin badawczych – spintroniki i geometrii kwantowej – w nową dziedzinę nauki. Wyniki tych badań mogą na dłuższą metę otworzyć nowe możliwości dla spintronicznych pamięci danych. Ponadto mogą pomóc w pozyskiwaniu małych ilości energii i rozwijaniu nowych właściwości materiałów.

Pomysł na Q-GEOMSPIN narodził się podczas dwóch etapów dotychczasowej kariery naukowej Sala. Podczas doktoratu na ETH Zürich badał spintronikę i magnetyzm. Nieco później, jako doktor habilitowany na Uniwersytecie w Genewie, zajął się geometrią kwantową. Połączenie obu perspektyw doprowadziło go do pytania, czy geometria kwantowa może generować dotąd pomijane efekty spintroniczne. „Z tego co wiem, nikt dotąd nie łączył eksperymentalnie tych dwóch dziedzin” – mówi fizyk doświadczalny z Centrum Badań nad Neutronami i Muonami PSI.

Nieznany obszar na mapie spintronicznej

Spintronika to dziedzina nauki, która istnieje od trzydziestu lat. Jej znaczenie podkreślił Nagroda Nobla z fizyki przyznana w 2007 roku za jej badania. Spintronika wykorzystuje spin – własny moment obrotowy elektronów – do przechowywania informacji.

W ostatnich latach okazało się jednak, że spintronika ma jeszcze tzw. biały plamę na swojej mapie: prace w dziedzinie fizyki teoretycznej wskazują, że niektóre zjawiska spintroniczne można przewidzieć, zrozumieć i kontrolować za pomocą młodej geometrii kwantowej. Konkretnie chodzi o poddziedzinę geometrii kwantowej: metrykę kwantową.

Aby zobrazować ideę metryki kwantowej, Sala posługuje się analogią: grawitacją. Siła grawitacji powoduje, że Ziemia krąży wokół Słońca. Według Alberta Einsteina, prawidłowe wyjaśnienie tego zjawiska to zakrzywienie przestrzeni wywołane masą Słońca. „Podobnie jest z elektronami, gdy poruszają się przez ciało stałe” – wyjaśnia Sala. Ze względu na metrykę kwantową, zakrzywia się przestrzeń impulsowa. Elektrony to „czują” i odpowiednio się odchylają.

Giacomo Sala dzięki otrzymanemu dofinansowaniu będzie mógł zatrudnić dwóch doktorantów i jedną osobę na poziomie postdoktoranckim. Wraz z tym małym zespołem będzie badał m.in. materiały topologiczne w ramach Q-GEOMSPIN. Są to ciała stałe, które wewnątrz są izolatorami, a na powierzchni przewodzą prąd elektryczny. W planach są także związki tlenkowe i dwuwymiarowe tzw. materiały Van der Waalsa, takie jak grafen. 

Od elektroniki do geometrii kwantowej

Elektronika korzysta wyłącznie z ładunku elektronów: prąd płynie lub nie – z tego wynikają cyfrowe zera i jedynki. Wykorzystuje się więc ruch ładunku.

Spintronika dodaje do tego drugą cechę: spin, kwantowy moment obrotowy. Uproszczona definicja: orientacja elektronów w górę lub w dół. Ta cecha może służyć do przesyłania informacji.

Geometria kwantowa opisuje geometryczną strukturę falowych funkcji elektronów w ciele stałym. Część z nich, metryka kwantowa, działa jak wbudowana w materiał grawitacja i odchyla elektrony. Nowością metryki kwantowej jest to, że ta geometria sama staje się zmienną sterującą i może być powiązana ze spinem.

Światło synchrotronowe i nanotechnologia: PSI zapewnia niezbędną infrastrukturę

Sala i jego zespół będą tworzyć i mierzyć struktury o rozmiarach kilku mikrometrów. Będą one chłodzone do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu (minus 273,15 stopni Celsjusza). W tym celu PSI za pomocą środków ERC uruchomi specjalny kriostat: urządzenie chłodzące, które generuje silne pola magnetyczne. W nim będzie przepuszczany prąd elektryczny przez próbkę, a odchylenie elektronów będzie mierzone. Naukowcy będą celowo poszukiwać efektów nieliniowych, czyli sytuacji, gdy niewielkie zmiany napięcia lub pola magnetycznego powodują duże zmiany w pomiarze. W tych odchyleniach spodziewają się wskazówek dotyczących geometrii kwantowej.

Decyzja o tym, że Sala trafił do PSI, wynika z jego strategicznego ukierunkowania badawczego i unikalnej infrastruktury. W nowym „Centrum Materii i Materiałów Kwantowych” PSI, krótko QMMC, łączą się prace różnych grup badawczych PSI w dziedzinie materii i materiałów kwantowych. Q-GEOMSPIN doskonale wpisuje się w ten nowy węzeł badań kwantowych.

PSI oferuje także wszystkie urządzenia, których Sala i jego zespół będą potrzebować do wytwarzania i charakteryzowania materiałów, produkcji mikroelementów oraz przeprowadzania pomiarów w niskich temperaturach. Wśród nich będzie można korzystać z synchrotronowego źródła światła SLS oraz z nowego czystego pomieszczenia PSI „PICO”, prowadzonego przez grupę badawczą nanotechnologii, które jest idealne do produkcji małych elementów. Również szwajcarskie źródło neutronów SINQ może zaoferować ciekawe możliwości dla ich badań. 

Q-GEOMSPIN może w końcu przynieść przełom w spintronice. Poza efektami wielkiego magnetooporu, odkrytym w latach 80. i szybko zwiększającym pojemność pamięci dysków twardych, komercyjne zastosowania są jak dotąd rzadkie. Na liście życzeń znajdują się teraz wydajniejsze pamięci spintroniczne (MRAM) lub procesory komputerowe na wzór ludzkiego mózgu. Dyskutowane są także egzotyczne pomysły, takie jak zbieranie energii z nieużywanych fal WLAN. Sala pozostaje realistą: „Q-GEOMSPIN to czysta nauka podstawowa. Ale jest ważna, aby z niej rozwijać zastosowania.”