Verdens første spinn-fotodetektor

TDK Corporation hevder å ha utviklet verdens første* «spinn-fotodetektor», et foto-spinntronisk konverteringselement som kombinerer optiske, elektroniske og magnetiske elementer som kan reagere med en ultrahøy hastighet på 20 pikosekunder (20 × 10⁻¹² s) ved bruk av lys med en bølgelengde på 800 nanometer [1] – 10 ganger raskere enn konvensjonelle halvlederbaserte fotodetektorer. Denne nye komponenten forventes å være en nøkkeldriver for implementering av fotoelektronisk konverteringsteknologi som øker dataoverføring og databehandlingshastighet, spesielt i AI-applikasjoner, samtidig som den reduserer strømforbruket.

Overføring av massive mengder med data ved høyere hastigheter og med lavere strømforbruk er et uunngåelig behov etter hvert som AI utvikler seg. For å behandle data og gjøre beregninger, overføres data for tiden mellom CPU/GPU-brikker samt fra og til minnet ved hjelp av elektriske signaler. Derfor er det et økende behov for optisk kommunikasjon og optiske sammenkoblinger, som tilbyr høye hastigheter som ikke avtar med sammenkoblingsavstanden. Fotoelektronisk konverteringsteknologi får også global interesse som en svært kompakt fusjon av både optiske og elektroniske elementer.

For å møte disse utfordringene har TDK tilpasset sin magnetiske tunnel junction (MTJ) teknologi, som for tiden brukes i milliarder av HDD-hoder, for fotonikk. En av de største fordelene med denne teknologien er at den ikke krever krystallgroing, gjennom bruk av et enkelt krystallsubstrat, og enheten kan formes uavhengig av substratmaterialet. Til sammenligning har konvensjonelle halvlederbaserte fotodetektorer fysiske begrensninger ved kortere bølgelengder. Fordi spinnfotodetektoren har et helt annet driftsprinsipp og bruker et elektronoppvarmingsprinsipp, kan den operere med ultrahøye hastigheter selv når bølgelengden er forkortet [1]. 

I tillegg er driftsbølgelengdeområdet bredt, og det er bekreftet at det kan operere fra synlig lys til nær-infrarødt lys. TDK har demonstrert spinnfotodetektoren ved Nihon University i Japan, en forskningspioner for måling av ultraraske fenomener i magnetisk materiale.

I tillegg, med evne til å oppdage synlig lys ved høye hastigheter, vil spinnfotodetektoren være nyttig i applikasjoner som er forutsett for fremtidig vekst, for eksempel enheter for AR/VR smarte briller og høyhastighets bildesensorer. Mens konvensjonelle halvlederbaserte fotosensorer har svak motstand mot kosmisk stråling, er MTJ-elementer også kjent for sin sterke kosmiske strålemotstand og forventes å bli brukt som lysdeteksjonselementer i romfartsapplikasjoner. I fremtiden, basert på disse resultatene, vil TDK forbedre perfeksjonen til dette høyhastighets lysdeteksjonselementet for ytterligere å utvikle nytteverdien, skriver selskapet i en pressemelding.

*) April 2025, ifølge TDK research 

[1] J. Phys. D: Appl. Phys. 58 06LT01 (2025), “Spin photo detector by using a CoFeB magnetic tunnel junction” https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ad9284/meta