Spinowe operowanie światłem

Spin jest kluczową, czysto kwantową cechą cząstek elementarnych. Jest to własny moment pędu cząstki, który nie ma przełożenia na ruch fizyczny, jest skwantowany (przyjmuje tylko wartości dyskretne), a w przypadku fotonów może też być spolaryzowany, czyli (w uproszczeniu) ustawiony w określonym kierunku.

Poznawanie kwantowych właściwości kwantów światła, czyli fotonów, otwiera drogę do tworzenia układów dotychczas należących do domeny fantastyki naukowej. Optronika spinowa to ważna nowa dziedzina badająca spin i polaryzację optyczną w ciałach stałych w celu opracowania kwantowych układów optoelektronicznych. Wykorzystując dofinansowanie UE dla projektu "Spin effects for quantum optoelectronics" (SPIN-OPTRONICS), dziesięć czołowych zespołów europejskich połączyło siły, aby przygotować nowe pokolenie naukowców do pracy w tym strategicznym obszarze badań.

Pod kierownictwem i opieką partnerów projektu SPIN-OPTRONICS zespół 18 naukowców, zarówno doświadczonych, jak i dopiero rozpoczynających karierę, przeprowadził pionierskie badania w czterech głównych obszarach. We wszystkich obszarach osiągnięto przełomowe wyniki.

Odwracalna kontrola pojedynczych spinów ma ogromne znaczenie dla tworzenia urządzeń spintronicznych. Badacze pomyślnie zaradzili najważniejszym problemom związanym z kontrolowaniem pojedynczych spinów w układach wykorzystujących kropki kwantowe i dowiedli skuteczności kontroli w kilku różnych układach.

Naukowcy opracowali też półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne wykorzystujące zjawisko splątania (ELED). Splątanie kwantowe ma miejsce wtedy, gdy stan kwantowy jednej cząstki jest zależny od stanu innej cząstki. Diody ELED wykorzystano w przełomowych doświadczeniach związanych z kwantowym przetwarzaniem informacji i kwantowymi metodami bezpiecznej komunikacji (kwantową dystrybucją klucza).

Badano też interakcje spinowe i efekty magnetyczne, co umożliwiło zbudowanie nowej klasy hybrydowych heterostruktur spinowo-optronicznych. Wśród wyników projektu nie mogło zabraknąć konkretnych, działających układów. Naukowcy stworzyli kilka obwodów polaritonowych (diody tunelowe, interferometry i przełączniki), wykorzystując nowatorskie cząstki hybrydowe złożone z fotonów silnie sprzężonych z dipolem elektrycznym. Prace projektowe dodatkowo wykazały, że przepływy polaritonów mogą umożliwiać propagację prądów spinowych w nadcieczach oraz propagację magnetycznych analogów ładunku. Ponieważ przemieszczają się one z prędkością bliską prędkości światła, mogą potencjalnie nadawać się do ultraszybkiego przenoszenia i przetwarzania informacji.

Sieć szkoleniowa SPIN-OPTRONICS przyczyniła się do przesunięcia granic w dynamicznej nowej dziedzinie o ogromnym potencjale przyszłych zastosowań komercyjnych. Wypracowanie czołowej pozycji Europy w tej dziedzinie dzięki silnemu zespołowi badaczy europejskich powinno przynieść znaczne korzyści dla UE i jej gospodarki w dobie poważnego kryzysu gospodarczego.