Badania polskiego fizyka mogą umożliwić rozwój nowego działu technologii. Chodzi o grafen

Elektrony w grafenie niosą nie tylko ładunek elektryczny i informację o spinie, ale również informację o tzw. pseudospinie. Badania ostatniej z tych cech umożliwić mogą rozwój zupełnie nowego działu technologii – dolinotroniki (analogicznie do elektroniki i spintroniki).

Teorię, która może pomóc w rozwoju dolinotroniki tworzy laureat Nagrody Narodowego Centrum Nauki dr hab. Adam Rycerz z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. „Moje badania dotyczyły teoretycznych podstaw działania części składowych grafenowego komputera kwantowego” – mówi w rozmowie z PAP fizyk.

Badacz na warsztat wziął to, co dzieje się w gazie elektronów uwięzionych w grafenie. Grafen to atomowej grubości struktura złożona z węgla. Ma bardzo interesujące właściwości, m.in.: świetnie przewodzi prąd i ciepło, jest rozciągliwy i wytrzymały. Jego wyjątkowe cechy związane są m.in. z dziwaczną naturą kwantową elektronów z atomów węgla, które poruszają się w tej strukturze. Otóż elektrony – cząstki przecież obdarzone masą, w grafenie zachowują się – przynajmniej z punktu widzenia obserwatora – jakby nie miały masy – opowiada dr Rycerz.

„Elektrony nie są takie jak ludzie – one są identyczne, nierozróżnialne” – mówi naukowiec. Wyjaśnia jednak, że cząstki takie w grafenie daje się opisać za pomocą liczb kwantowych – stopni swobody. „Najprostszą liczbą kwantową jest ładunek. Bo elektron ma swój ładunek elektryczny. Drugą liczbą kwantową jest spin. Można powiedzieć, że elektron ma mały magnesik, który może być obrócony w górę lub w dół” – opowiada. Dodatkowo jednak, kiedy elektron znajduje się np. w grafenie, cząstka zyskuje kolejny stopień swobody – tzw. sztuczny spin, czy też pseudospin. To cecha niezależna od zwykłego spinu. Może się więc okazać, że elektron w grafenie znajduje się w dolinie K albo K’. „Matematycznie jest to tak, jakby istniał fikcyjny magnesik w innej przestrzeni” – opowiada fizyk.

Operowanie ładunkami umożliwiło rozwój elektroniki (prąd – elektron z ładunkiem albo jest, albo go nie ma). Manipulowanie kolejnym stopniem swobody elektronów – spinem – umożliwiło powstanie spintroniki. A umiejętność operowania pseudospinem otwiera przed nami nową dziedzinę technologii – dolinotronikę (valleytronics).

Dr Rycerz z kolegami z UW oraz z Uniwersytetu w Lejdzie (Holandia) stworzył teorię i wykonał symulacje komputerowe, które pokazują, jak można byłoby z prądu płynącego przez grafen odsiewać elektrony o określonym pseudospinie. Dr Rycerz pokazał, że do tego trzeba by było przepuścić prąd przez lejek – filtr o wielkości 10-20 nm. „Prąd po przejściu przez ten lejek będzie całkowicie spolaryzowany. Elektrony w przestrzeni dolinowych stopni swobody będą ustawione w jedną stronę. Wydaje się, że łącząc takie układy w serie, będzie można prowadzić operacje logiczne na elektronach” – opowiada dr Rycerz.

To, co robił dr Rycerz, to tylko badania teoretyczne. „Nawet gdyby zbudować filtr, nie wiadomo jeszcze, jak go kontrolować, a więc sprawdzić, czy na pewno działa” – zwraca uwagę fizyk.

„Zanim zbudowano kompas i wykorzystano go w żegludze, w Chinach były już od dawna znane zabawki z materiału magnetycznego, który zachowywał orientację stron świata. My jesteśmy na razie na etapie projektowania takich zabawek. Ale dzisiaj rozwój techniczny idzie szybciej. Mam nadzieję, że na zastosowania naszych badań nie trzeba będzie czekać setki czy tysiące lat…” – żartuje dr Rycerz.

Nagroda NCN to coroczna inicjatywa Narodowego Centrum Nauki, której celem jest promowanie wybitnych naukowców prowadzących badania podstawowe (czyli prace eksperymentalne i teoretyczne podejmowane przede wszystkim w celu zdobycia nowej wiedzy, bez nastawienia na bezpośrednie zastosowanie komercyjne) w Polsce. Laureatem może zostać uczony do 40. roku życia, a wyróżnione osiągnięcia muszą powstać w wyniku prac eksperymentalnych i teoretycznych. PAP – Nauka w Polsce jest jednym z patronów medialnych Nagród NCN.

Autor: Ludwika Tomala
Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl
Fot.: youtube.com screen