Ny teori om styring af partiklers spin med halvleder

=( det forstår jeg ikke yhyy!

øøøh.. okay :)

"We hope to point scientists in a direction that offers the possibility of new applications and hopefully ways of manipulating information in the future" ... Måske er fremtidens computere et skridt nærmere nu?

PS: Spintronic lyder sgu som et electro-band eller noget der har med breakdancing at gøre. :)

#3 Spintronic: Eller en elektronisk, politisk rådgiver.

Ja, det fatter jeg hat af, ikke ligefrem lægmands eller forklarende termer, der bruges. Dumb it down, man!

#4
Elektronik - udnyttelsen af elektronens ladning.
Spintronik - udnyttelsen af både elektronens ladning og elektronens spin. :)

Jeg valgte den danske udgave af spin-artiklen på Wikipedia, fordi den var langt kortere og formentlig lettere at forstå - den engelske version kan læses her.

Okay - Var det ikke spin som var en af grund tingene i vilkårligheds teorierne?

Hvis man pludseligt kan styre det, så er det jo alligevel ikke vilkårligt..

#6
Man har vel altid kunnet styre spinnet, hvis man altså vel at mærke kender dens position til at starte med.

Edit: ... Og så selvfølgelig med magnetisme. Men som artiklen er inde på er det ikke særlig praktisk i apparater. :)

#7JesperJ
Så vidt jeg kan huske, så var der noget med at når man målte retningen af et spin, så ændrede det retning, men man vidste ikke hvilken..

Edit: Kan faktisk være det var lokationen? og ikke retningen... Er liiiidt tåget :/

ved faktisk godt hvad et spin er, men den der tekst var som jord for mig :S

#9 mR.GULEROD
Det er fordi den siger en masse men kommer ikke rigtigt nogle vegne..
Som i at jeg faktisk godt vil forlare alt hvad spin og geometri, og den sammenhæng det har uden rent faktisk at vide noget om det, så ved at sætte en masse fine ord sammen så har du en artikel der siger noget og noget, uden at sige noget om det oprindelige emne.

Hehe, JesperJ, det er tydeligt, at du ved en helvedes masse om fysik, men ikke så meget om formidling af komplekser til de dødelig. =)

Det er meget smart det de har fundet ud af ... og ja det er måske ikke helt nemt at forstå hvad det er de gør, men jeg vil prøve at forklare det på dansk:

I en almindelig elektromagnet kan man gøre en jernkerne magnetisk ved at sende en strøm igennem en leder, viklet om kernen. ...altså ved at sende strøm igennem en spole med en jernstang inden i.
Det gør jernstangen magnetisk med en sydpol i den ene ende og en nordpol i den anden ende.
Det der faktisk sker inde i jernet er, at elektronerne, som farer rundt om atomkernerne, bliver "ensrettet".
Hver elektron spinder om sin egen akse, ligesom jorden gør det.
Det der sker, når man sender strøm rundt om jernkernen er, at man får alle elektron-spin-akserne til at vende mere eller mindre samme vej inde i jernstangen. Derved bliver jernet magnetisk.

Det forskerne nu har fundet ud af er følgene:
Den kan "ensrette" elektronernes spin, ved at lave en lille bitte leder (halvleder) i nanostørrelse formet som et L (altså en mikro lille ledning bøjet 90 grader) og sende strøm igennem den. Når elektronerne vandrer rundt om hjørnet, sættes de i et spin som er mere eller mindre ensrettet. ...smart ik..? (Jeg aner ikke hvad de vil bruge det til, men det kan sikkert bliver kæmpe stort, når de får forsket lidt mere i det)

Det med at det er en halvleder betyder, at man har taget et ikke-ledende stof og blandet det med et andet, og så kan det pludselig lede en strøm under nogle bestemte forhold. (det er f.eks. det dioder og transistorer er lavet af) Når de snakker om "spin 3/2" i et hulsystem betyder det,at der i det stof de har lavet, er ekstra pladser til flere elektroner. Når der sættes strøm til så hopper elektronerne fra hul til hul, mens de vandre mod +. Det med 3/2 er så bare en betegnelse for, hvordan hullerne ligger, eller hvor mange huller der er i forhold til elektronerne.

...håber det gav klarhed om emnet

Det er ret begrænset hd jeg ved om emnet, men jeg så altså lidt om det på DR2 for en uges ti dsiden - og skyd mig bare ned hvis jeg tager fejl, men jeg mener de snakkede om at bruge det til ultra små hukommelses-chips, hvor man kan skrive og slette en masse gange.

#11 hairulfr
Det er også derfor jeg poster her på newz.dk - det er meningen man skal klikke sig videre på linksene. :P

Hvis ikke kolt havde givet den fortræffelige forklaring havde jeg også kastet mig ud i at simplificere begreberne lidt... Jeg glemte i øvrigt også "L"-strukturen på halvlederen, det må så være underforstået i "systemet". :)

#12
Det sidste du skriver er forkert. 2/3 Har ikke noget at gøre med forholdet mellem elektroner og huller. Det er størrelsen af hullets spin. Huller er "manglen på en elektron et sted hvor der godt kunne have været en". Det gode ved huller er at de opfører sig lige som elektroner, bort set fra at deres ladning er modsat og massen er en smule anderledes. Men huller har spin præcis lige som elektroner har det. Når man bruger dem er det fordi det er langt lettere at regne på ét hul end på en hel masse elektroner.
Det er selvfølgelig svært at forestille sig hvad hullets spin er for noget. Husk her på at forklaringen om at elektronen er en lille bold med ladning som drejer rund blot er et pædagogisk billede. Spin er der bare!. Det er en intern egenskab på ligne med masse og ladning. Elektronens spin er sådan set lige så mærkelig som hullets.

#12 En halvleder behøver ikke være en komposit. Silicium er f.eks. langt den mest brugt halvleder. En halvleder er et materiale hvor der ikke findes elektrontilstande omkring elektronernes gennemsnitsværdi (Ferminiveauet), men kun over og under. Ved meget lave temperaturer vil alle tilstandende under Ferminiveauet være fyldt, og elektronerne vil derfor være fikserede og ude af stand til at lede en strøm. Ved høje temperaturer, vil den termiske energi tillade en betydelig mængde af elektronerne at hoppe op i tilstandene over Ferminiveauet, hvor der er masser af plads til at bevæge sig. Samtidig vil de tomme tilstande de efterlader sig (huller) tillade at elektronerne under Ferminiveauet kan bevæge sig og materialet bliver ledende.

Man kan ved at blande små mængder af fremmede stoffer ind tilføre ekstra elektroner eller huller selv ved lav temperatur, og det er det der gør at man kan styre stoffets elektroniske egenskaber så præcist at man kan lave elektronik nu om dage.

Hey. Der er en del af jer som har en særdeles god forståelse for fysik. Det kunne være interessant at høre hvilken baggrund i har, som har givet jer denne forståelse. Så JesperJ, kolt, hallavej og bjarkehingrumme, hvad er jeres uddannelse?

#17
Folkeskolen. :p

Men min egen forståelse for fysikken udspiller sig i interesse og søgning på svar, ikke uddannelse som sådan. Jeg brugte det meste af tiden i folkeskolen på alt muligt andet, oftest på internettet. Først nu på HTX begynder jeg at lære lidt.

#17
Snart kandidat i fysik fra unitetet (håber jeg).

#12 Nu må i hænge mig op på den følgende påstand, men jeg tænkte det kunne hjælpe på forståelsen af problemet, hvis vi lige får et par grundbegreber på plads:
Magnetisering af en jernkerne skyldes ikke en ensretning af elektroner, men derimod en samlet ensretning af et helt molekyle. Dette kan lade sig gøre for molekyler der har en skæv opbygning af de indre positive og negative atomare elementer.
Det er vigtig at forstå denne forskel, for ellers kan man ikke tackle den næste problemstilling:
Elektroner eller for den sags skyld positroners SPIN, - og ja, hvad er spin egentlig? Det kan nemmest forklares hvis man forestiller sig at elektronen bevæger sig som en snurretop der er lige ved at gå i stå på en flade, selve snurretoppen bevæger sig ikke væk fra positionen på fladen, mens spidsen af snurretoppen køre rundt i en cirkelbevægelse (den tekniske betegnelse for denne bevægelse er: præciserer) der har centrum lige under snurretoppens tyngdepunkt. Når en elektron "spinner" rundt på den måde vil der blive dannet et meget svagt magnetfelt i en enkelt retning, -lad os kalde det for spinretning.
Godt, så! Så har i en lille idé om hvad "spin" er, forestil jer nu at alle elektroner spinner, men ALT er kaos! ingen af elektronerne spinner i den samme retning (ingen har den samme spinretning, alt er fuldtændig tilfældig), og der er ingen af elektorner der præciserer i takt.
"Ja, men hvad fanden kan vi bruge det til?!"
Joooo, ser i..... man fandt i tidernes morgen ud af at hvis man placerede et eller andet stof i et stærk magnetfelt, så ville en del af elektronerne begynde at have den samme spinretning.
"Ja, men hvad fanden kan vi bruge det til?!"
Rolig nu! Ved samtidig at udsætte elektronerne for elektromagnetisk stråling, så blev elektronerne exciteret (fik overført energi) som de senere ville prøve at slippe af med ved at udsende elektromagnetisk stråling. Samtidig med at dette skete så begynder elektronerne at præcisere i takt!
Man kan ikke måle den udsendte stråling ordentlig(et måleteknisk problem), medmindre at
en del af elektronerne netop har samme spinretning og præciserer i takt.
Dette lagde et basis for teknologierne i måske kender fra en MR-scanner.

Det interessante i denne nyhed er at man kan manipulere elektroners spin ved hjælp af en "mekanisk opstilling" og ikke udlukkende ved hjælp af et eksternt magnetfelt.

Håber det gav lidt indsigt i emnet.

#17

Jeg læser til maskinmester på Århus Maskinmesterskole. (eller stud. tech. management & engineering som det hedder så fint ) (En super fed uddannelse hvis man interesserer sig for stortset alt inden for fysik, elektronik og management som jeg gør)


#20

Joo magnetisering handler om hvordan elektronpar "spinner" i forhold til hinanden og hvordan enkelt elektroner "spinner" i forhold til atomerne ved siden af.

Magnetiske felter i f.eks. en klump jern opstår i små domæner som har syd og nordpol. (et domæne indeholder, så vidt jeg husker, cirka noget i størrelsesordenen af 10^15 atomer) Disse vender i alle mulige retninger og ophæver hinanden og det er disse der ensrettes når jernet udsættes for et elektromagnetisk felt.

Om man kan sige det er molekylerne der ensrettes ved jeg ikke... det kan godt være det er tilfældet for nogle stoffer det skal jeg ikke kunne sige.

jeg er ikke sikker på jeg forstår hvad du mener med det sidste du skriver. Elektromagnetisk stråling og ændring i elektroners energniveau hænger tæt sammen ja, men hvad har det med deres spinretning og stoffets magnetiske orientering at gøre?

#21

Ja, der er lidt sandhed gemt i dit udsagn om "spinning" og magnetisering hænger sammen, men det er ikke "spinning" der er skyld i at materialer har ferromagnetiske egenskaber.
De ferromagnetiske egenskaber skyldes at molekylet er skæv i sin ladningsopbygning og derved får en dipol-karakter, som du selv er inde på.
En elektron der "spinner" vil som sagt inducere meget et svagt magnetfelt, som jeg tidligere kaldte for "spinretning". Hvis du så forestiller dig en god potion elektroner der farer tilfældigt rundt med deres egen lille magnetfelt hægtet på sig, så vil de indrette sig sådan at spinretningen for en given mængde elektroner altid vil være fuldstændig tilfældig, da de små magnetfelter "hægtet" på elektronerne vil søge at dreje spinretningen til der hvor det kræves mindst arbejde at ligge.
Den eneste måde at ophæve denne tilfældighed på er ved at udsætte stoffet for et kraftig, eksternt magnetfelt. Grunden til at man ønsker at ensrette spinretningen, skyldes at ellers ville man ikke kunne opfange noget modsvar på den påtrykte elektromagnetiskestråling i transversalretningen på hovedfeltet. Der er som sagt tale om man anvender lidt vektor opløsning til at kortlægge feltstyrker.
I NMR-teknologien anvender man viden om: hvor nemt spinretningen ensrettes, hvor hurtigt elektroner præciserer ude af takt osv. til at bestemme hvilket stof der er tale om.

Ved godt at det er noget der kræver lidt bearbejdning førend at det siver ind, men hvis du er interesseret så har phillips skrevet et godt dokument om en af deres MR-scannere, der lige frisker grundbegreberne om spinning og anvendelse heraf op.

#22
Hvad er et jernmolekyle????????

NMR=Nulear Magnetic Resonance.
Dette har intet med elektroner at gøre. Det handler om atomkernernes isospin. En sjov ting er at på hospitalerne har de fjernet ordet Nuclear fordi folk ikke tør lægge sig ind i en maskine der hedder noget med atomkerner (det er ikke engang løgn).

#17 Teknisk fysiker (ingeniør) og om et års tid (forhåbentlig) Ph.D. i blandede ledere.

#20,#22 Det er ikke spinpræcessionen der skaber magnetfeltet, det er spinnet selv. Jeg tror du blander de forskellige elementer sammen. En skæv ladningsopbygning vil resultere i en ELEKTRISK dipol - sjældent en magnetisk dipol. Den magnetiske dipol skabes når fordelingen af elektronernes spin er skæv. Hvis et molekyle f.eks. har ti spin op elektroner og kun otte spin ned elektroner så vil det have et magnetisk moment. Og det ER elektronspin der skaber magnetiseringen i et ferromagnetisk materiale.

Det er faktisk energimæssigt ufordelagtigt at elektroners spin ligger tilfældigt i ikke ferromagnetiske materialer. Grunden til at de ligger tilfældigt er at deres indbyrdes kobling er svag nok til at blive overdøvet ved temperaturer over ca. en Kelvin.

Og nu er min NMR godt nok lidt rusten, men så vidt jeg husker påtrykker man et oscillerende magnetfelt - man bruger ikke elektromagnetisk stråling. Det er jo også en af grundene til at teknikken er så anvendelig da man ikke er afhængig af elektromagnetisk stråling, der absorberes af stof, og derfor kan kigge dybt ind i et emne.

#21. Lige for at uddybe kolts (korrekte) udsagn: I et ferromagnetisk stof vil elektronernes magnetiske momenter være låst fast i forhold til hinanden inden for et domæne. Mekanismen bag denne fastlåsning er kvantemekanisk af natur og er ret stærk. Denne fastlåsning vil for ferromagnetiske materialer betyder en ensretning af elektronernes magnetiske momenter, indenfor domænet. Det enkelte domæne vil derfor have en magnetisering. Denne magnetisering har ikke nødvendigvis den samme retning som nabodomænet. Da der ofte er millioner af domæner vil de forskellige magnetiseringer udligne hinanden, og stoffet vil ikke have noget betydeligt magnetfelt. Det der så sker når man indsætter stoffet i et stærkt magnetfelt er at domænerne vil lægge sig parallelt med magnetfeltet. Når magnetfeltet slukkes vil domænerne stadigvæk ligge parallelt, og der vil være etableret en makroskopisk magnetisering af stoffet.

#24 hehe, citat: "Nu må i hænge mig op på den følgende påstand..."
Jeg giver mig på det punkt med den elektriske dipol, for det andet er en omgang fordrukken ævl :)

Kan ikke helt se hvor jeg skulle have postuleret at det var spinpræcessionen der skabte magnetfeltet, kun at man kunne betragte det som en magnetiseringsretning. Du kan opløse det i et roterende transversalvektor B-felt og et fast verticalvektor B-felt = herfra magnetiseringsretning.

EM-stråling og M-stråling er tæt på være flueknepperi, skriver en forklaring af emnet, IKKE en Ph.D

#25 Du beskriver spinprocession og forklarer at det skaber et magnetfelt nicht wahr?
"Det kan nemmest forklares hvis man forestiller sig at elektronen bevæger sig som en snurretop der er lige ved at gå i stå på en flade, selve snurretoppen bevæger sig ikke væk fra positionen på fladen, mens spidsen af snurretoppen køre rundt i en cirkelbevægelse (den tekniske betegnelse for denne bevægelse er: præciserer) der har centrum lige under snurretoppens tyngdepunkt. Når en elektron "spinner" rundt på den måde vil der blive dannet et meget svagt magnetfelt i en enkelt retning, -lad os kalde det for spinretning."

Kald mig bare fordrukken flueknepper men elektromagnetisk stråling og et oscillerende magnetfelt er to helt forskellige ting. Og hvis du ikke kan tåle at få rettet dine fejl i et åbent forum, så sørg for kun at belære folk om ting du selv har forstået.

#26 Rolig nu, hvilken del er det som du er helt og holden uegnig med mig i? Hvis du læser den kontekst, som forklaringen står i, så anvendes det forenklede vektor eksempel til at skabe en idé om hvorfor at elektronerne ikke har den samme rumorintering mht. verticalvektoren.

Og ja, det er noget flueknepperi at afvise elektromagnetisk-stråling, fordi der i din lærebog fra 1980 står at et roterende magnetfelt er fremtiden.
Men hvordan er det nu med et varrierende magnetfelt når du kommer langt nok væk fra det, lad os cirka sige: 1/6-bølgelængde? Ja, så skifter feltet karakter fra at være et varrierende magnetfelt til at være et elektromagnetiskfelt = derfor min utilfredshed over flueknepperiet!
Hvis du alene kigger MRI så anvendes der alt fra 1,5T ~ 7T scannere alene her i Danmark. Dette gør at hvis du f.eks. skal se på hydrogen for at bestemme lidt væskeflow, så er du nødt til at anvende frekvenser mellem 64MHz ~ 300MHz.
Så hvis vi skal kigge på de 5T scannere der anvendes til patienter i USA, så må de ikke være mere en 12cm høj, tykke eller bredde (hvis vi skal holde os til roterende magnetfelter)?

Jeg vil bare lige sige at...

"Det handler om skumle frekvenser, radiofiltre og vektorgrafik, hvilket man ikke aner en disse om hvis man ikke har arbejdet med det."

Jeg er uddannet astronom og fysiker med speciale i astrofysik og bifag i datalogi. Faststoffysik (herunder halvlederfysik) har jeg selvfølgelig et kendskab til via obligatoriske kurser, men det var nu ikke min livret. Men måske kan jeg bidrage med lidt informationer om spin:

Spin er en form for impulsmoment (dvs. rotation) som findes hos partikler. Det betragtes i fysikken som et kvantemekanisk fænomen, der ikke direkte kan sammenlignes med noget, vi kender i vores hverdag. Men hvis vi nu alligevel prøver at sammenligne med f.eks. Jordens rotation, så ved vi, at rotationen har en størrelse (omdrejningshastigheden) og en retning. Omdrejningshastigheden er givet ved, at Jorden drejer en omgang i døgnet, og retningen er bestemt ved, at Jordens akse peger mod nord. Bruger vi højrehåndsreglen, kan vi se, at aksen ikke peger mod syd. Hvis højre hånds tommel peger mod nord, når vi griber om Jorden, så peger fingrene i rotationens retning. Samlet set kan vi beskrive dette med tre tal, også kaldet en vektor i rummet. Dette er impulsmomentvektoren.

Så til spinnet. Det er præcis det samme, bare fuldstændig anderledes. Det er det samme fordi det også er en impusmomentvektor. Det er anderledes fordi, at når det er meget småt, så skal man bruge kvantemekanik. Tager vi en elektron, så har den altid samme spin (rotationshastighed). Det har størrelsen 1/2. Allerede dette vil lyde mærkeligt for de fleste, men sådan er elementarpartikel-verdenen. Hvad der derimod er mere mærkeligt, er at vi ikke kan vide præcis hvad vej, rotationsaksen peger. Det forbyder fysikkens love. Kun i to tilfælde kan vi kende en elektrons rotation: Hvis aksen peger stik op, eller hvis den peger stik ned. Dog kan vi selv vælge retningen, hvis vi ikke kan lide op/ned kan vi sige nord/syd eller øst/vest i stedet. Disse rene tilstande kaldes egentilstande, desværre er de fleste tilstande blandinger af flere egentilstande. Dvs. at har vi en elektron, der er i en ren spin-op tilstand, så vil den målt i øst-vest retningen være 50% spin-øst og 50% spin-vest. Man kan ALDRIG have en eletron, der er i en ren op-ned tilstand, samtidig med, at den er i en ren øst-vest eller nord-syd tilstand. Det er meget mærkeligt at spekulere på, men rent matematisk er systemet meget simpelt:

En partikel med spin S=1/2 kan have S_z = +1/2 , -1/2. S_z er spinnets projektion på Z-aksen (den lodrette akse, dvs. at +1/2 er spin op, og -1/2 er spin ned).

En partikel med spin S = 1 kan have S_z = +1, 0 eller +1
En partikel med spin S = 3/2 kan have S_z = + 3/2, +1/2, -1/2 eller -3/2

Nu kan man vist gætte systemet: S kan antage hel- og halvtallige værdier: 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, ....
S_z starter ved +S og ændrer sig med 1 ad gangen ned til -S.
I alt er antallet af mulige værdier N = 2*S + 1

Ja, det var så (måske) dit første kvantemekanik-kursus. Mere indviklet er det egentlig ikke. :-)

Men bare vent til man skal til at kombinere impulsmoment fra flere partikler.... Det må vi dække en anden dag.

/Astrodude

Jeg fandt lige flg. artikel fra Scientific American om "spintronics:"

http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=0007A73...

Ho yea... kvantemekanik er noget spøjst system halløj... Har forsøgt at sætte mig lidt ind i det men jeg tror jeg holder mig til ting man kan se :D
Jeg glæder mig dog til at man virkelig får gang i nanoteknologien på et praktisk plan så man kan bruge det til ting i hverdagen. Det blir sindsygt så mange ting man pludselig kan lave så!