Spin dan Kegunaannya Selain bergerak mengelilingi inti, electron juga berputar pada sumbunya melakukan gerak rotasi sehingga mempunyai momentum sudut. Gerak rotasi ini disebut dengan spin. Elektron yang melakukan gerak rotasi mempunyai sifat magnetic. Jika electron berada dalam medan magnetic luar maka arah rotasi electron bersifat searah atau berlawanan arah dengan medan magnetic luar. Untuk spin searah medan magnetic luar, diberi nilai +1/2 dan untuk yang berlawanan arah diberi nilai -1/2. Nilai harga positif menyatakan arah spin up yang berotasi berlawanan arah gerak jarum jam, sedangkan harga negative menyatakan spin down yang berotasi searah gerak jarum jam. [NEXT SLIDE] Karakteristik dari spin ini dapat diaplikasikan ke dalam elektronik yang disebut perangkat spintronic. Perangkat spintronic tersebut terbagi menjadi dua kelas. Kelas pertama dari perangkat spintronic menggunakan arus listrik spin yang terpolarisasi, yang mana spin pada electron tersebut menjadi searah karena pengaruh medan magnet. Contoh dari perangkat kelas ini adalah magnetic tunnel junction. Gambar 1. Magnetic Tunnel Junction Kelas kedua dari perangkat spintronic mengendalikan electron secara individual untuk mewakili bit kuantum (qubits) dan untuk membawa informasi kuantumnya. Jika jenis spinnya “up” maka electron tersebut bernilai 1 dan jika “down” maka bernilai 0, untuk electron yang spinnya berayun merupakan superposisi kuantum yang bernilai 0 dan 1. Perangkat yang menggunakan ini masih berupa eksperimen dan memasukkan spintronic berbasis berlian. Gambar 2. Spin Sebagai Qubits Spintronik Berlian Seperti halnya semikonduktor dalam elektronik konvensional, kunci untuk membuat berlian berfungsi untuk spintronik kuantum adalah dengan cara doping impuritas, dalam hal ini yang disebut nitrogen-vacancy (N-V) center. Di pusat N-V, dua titik yang berdekatan dalam kisi atom karbon tetrahedral berlian diubah. Yang satu digantikan atom nitrogen dan yang lainnya diisi dengan vacancy atau ruang kosong. Elektron mengorbit melalui vacancy dan di sekitar empat atom yang berdekatan dan membawa spin yang dapat dieksploitasi oleh aplikasi kuantum. Contohnya adalah laser yang dapat berulang kali mengekstitasi sebuah electron di pusat N-V, yang setiap kali mengemisikan satu foton dalam keadaan kuantum tertentu. Para peneliti telah menggunakan berlian dengan cara ini untuk mendemonstrasikan prototipe kriptografi kuantum, yang mengandalkan pasokan foton tunggal yang stabil. Gambar 3. Kisi tetrahedral berlian yang ditembakkan Laser [NEXT SLIDE] Pusat N-V di berlian muncul sebagai titik terang (merah) saat ditembakkan oleh laser. Pusat yang spinnya dalam keadaan 1 jauh lebih terang daripada pusat yang spinnya dalam keadaan 0. Gelombang frekuensi radio yang diatur dengan besaran frekuensi yang tepat akan mengubah pusat N-V bolak-balik antara 0 dan 1, melewati keadaan transisi yang merupakan superposisi kuantum dari keduanya. Gambar 4. Pusat N-V pada berlian [NEXT SLIDE] Dengan memasukkan atom nitrogen kedua di dekat pusat N-V menyediakan sistem dua qubit berpasangan yang memungkinkan logic processing. Frekuensi yang diperlukan untuk membalik qubit pusat N-V sekarang sedikit lebih rendah atau lebih tinggi, bergantung pada status nitrogen kedua. Mengatur gelombang pada frekuensi yang lebih tinggi dapat membalikkan qubit N-V hanya jika qubit lainnya bernilai 1. Operasi tersebut dikenal sebagai NOT logic gate terkontrol, yang memungkinkan penghitungan kuantum semaunya. Gambar 5. Kisi Pusat N-V dengan dua atom nitrogen. Arus Spin Suatu fenomena yang dinamakan spin Hall Effect, yang dapat menyediakan cara untuk mengurutkan dan merutekan elektron berdasarkan arah spinnya. Karena spin berperilaku seperti magnet kecil, orang mengontrolnya dengan menerapkan medan magnet. Memproduksi medan magnet biasanya membutuhkan bahan magnet atau magnet eksternal. Alih-alih, menggunakan medan listrik memungkinkan perangkat spintronik yang lebih kecil dan lebih cepat yang lebih mudah dibuat karena medan listrik lebih mudah dibatasi di wilayah kecil dan lebih mudah diproduksi dengan frekuensi tinggi (yang memungkinkan pengoperasian lebih cepat). Sayangnya, spin seperti semua magnet, tidak merespons medan listrik dalam keadaan normal. Efek hall, di mana muatan berlawanan terbentuk di setiap sisi material yang membawa arus dalam bidang magnet. Medan magnet yang tegak lurus dengan bidang material membelokkan elektron ke satu sisi, tempat mereka berakumulasi. Hole menumpuk di sisi lain. Tegangan transversal dengan demikian dihasilkan. Gallium Arsenide, sebuah semikonduktor yang biasa digunakan dalam elektronik diuji dengan diberikan electron yang mengalir. Hasilnya, spin yang bergerak pada bahan ini terpolarisasi seakan-akan dipengaruhi medan magnet. Dalam efek spin Hall, polarisasi spin kecil terakumulasi di tepi material yang membawa arus listrik ,tetapi tanpa memerlukan medan magnet. Efek ini akan menjadi cara nonmagnetik lain untuk menghasilkan polarisasi spin dan mengarahkan elektron sesuai dengan orientasi spinnya. Gambar 6. Hall Effect (kiri), Spin Hall Effect (kanan) Elektronik Kuantum Para peneliti telah membuat banyak kemajuan menarik di bidang polarisasi spin dalam beberapa tahun terakhir, termasuk penemuan cara untuk menghasilkan dan memanipulasi polarisasi spin dalam semikonduktor tanpa bergantung pada bahan magnet atau kabel yang relatif besar untuk menghasilkan medan magnet. Tidak hanya kelas pertama, peneliti juga memanfaatkan spintronic kelas dua dengan memanipulasi electron individu untuk mengeksploitasi sifat kuantum spin. Spintronik kuantum dapat memberikan cara praktis untuk melakukan pemrosesan informasi kuantum, yang menggantikan nilai 0 dan 1 dari komputasi dengan bit kuantum, atau qubit, yang mampu menjadi 0 dan 1 secara bersamaan. Jika computer kuantum dapat dibangun, ini akan mengeksploitasi superposisi qubit untuk melakukan semacam pemrosesan paralel yang akan sangat efektif untuk tugas-tugas tertentu, seperti mencari database dan memfaktorkan angka besar. Mungkin pengaruh terbesar dari komputer kuantum di masa mendatang akan terletak pada kemampuannya yang unik untuk mensimulasikan, atau memodelkan, sistem kuantum lainnya, tugas yang kurang efektif dilakukan oleh komputer saat ini. Unit pemrosesan informasi kuantum paling canggih hingga saat ini adalah spin ion yang terperangkap dalam medan elektromagnetik. Tetapi sistem ini memiliki kelemahan yaitu membutuhkan vakum yang sangat tinggi dan arsitektur perangkap yang kompleks untuk menahan partikel individu di tempatnya dan diisolasi dari gangguan. Kilau Berlian Suatu berlian yang berbeda dari batu permata pada umumnya digunakan sebagai bahan eksperimen. Suatu metode yang disebut dengan deposisi uap kimia diterapkan pada berlian tersebut. Dalam proses ini, gas yang terdiri dari molekul yang mengandung karbon dan hidrogen dipecah menjadi atom individu (misalnya, dengan radiasi gelombang mikro berkekuatan tinggi), memungkinkan atom karbon untuk mengendap pada substrat silikon. Kinerja perangkat terbaik biasanya menggunakan berlian kristal tunggal, di mana karakteristik kisi atom karbon tetrahedral berlian tidak terganggu oleh butir yang tidak teratur, yang menurunkan kualitas bahan untuk optik dan elektronik. Properti utama berlian untuk elektronika kuantum adalah banyaknya energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron agar dapat mengalir melalui material. Untuk semikonduktor, dua pita penting adalah pita valensi, yang merupakan pita yang mengandung elektron, dan pita konduksi kosong tepat di atasnya, di mana elektron dapat mengalir dengan bebas. Ukuran celah energi, atau celah pita, antara dua pita pada berlian ini adalah 5,5 elektron volt, sekitar dua kali lebih banyak energi yang ada dalam foton cahaya tampak dan lima kali lebih besar dari celah pita pada silicon. Umumnya elektron dalam semikonduktor tidak dapat memiliki energi yang terletak pada celah, tetapi atom impuritas yang ditambahkan ke material dapat memperkenalkan keadaan diskrit di celah. Cahaya optical-wavelength dapat mengeksitasi sebuah elektron pada atom impuritas dari satu keadaan diskrit ke keadaan lain tanpa menjatuhkannya ke pita konduksi. Ketika elektron jatuh kembali ke keadaan energinya yang lebih rendah, ia memancarkan foton dengan frekuensi yang sesuai dengan perbedaan tingkat energi — proses yang umumnya dikenal sebagai fluoresensi. Di bawah penerangan terus menerus, eksitasi optik dan proses relaksasi berulang terus menerus, dan impuritas dapat memancarkan jutaan foton per detik. Impuritas khusus yang dideteksi dalam eksperimen tersebut terdiri dari atom nitrogen sebagai pengganti satu atom karbon dan kekosongan yang berdekatan di mana karbon lain biasanya berada, yang dikenal sebagai pusat kekosongan nitrogen (N-V). Menariknya, daerah kosong tersebut memainkan peran penting: pusat N-V sangat berbeda dari atom nitrogen tunggal tanpa daerah ksong yang berdekatan. Elektron di pusat N-V bergerak dalam orbit yang menjangkau daerah kosong dan tiga karbon tetangganya dan hanya menghabiskan sedikit waktu di dekat nitrogen. Impuritas tunggal, seperti pusat N-V, memancarkan satu foton pada satu waktu. Ini merupakan properti penting untuk bidang kriptografi kuantum yang sedang berkembang. Sistem kriptografi kuantum mengirimkan informasi dalam bentuk foton tunggal yang masing-masing membawa satu qubit. Hukum fisika menjamin bahwa penyadap tidak dapat mencegat foton tanpa mengganggu qubit dengan cara yang dapat dideteksi oleh penerima yang dituju. Elektron pusat N-V juga membawa informasi spin, yang dapat dipolarisasi dengan mudah menggunakan cahaya panjang gelombang-optik. Dan sementara sistem spin lain dalam material padat biasanya harus didinginkan hingga suhu yang sangat rendah agar dapat terpolarisasi, spin pusat N-V secara alami masuk ke keadaan spin tertentu di bawah penerangan optik bahkan pada suhu kamar. Lebih jauh, para peneliti segera menemukan bahwa salah satu keadaan spin bersinar jauh lebih terang daripada yang lain. Dengan demikian, intensitas fluoresensi dapat digunakan untuk pembacaan keadaan spin — terang untuk status "1", redup untuk status "0".
