科學家利用技術突破實現實用的半導體自旋電子技術

據外媒報導,未來研究人員可能會在量子計算機中使用電子自旋處理信息的信息技術。長期以來,能夠在室溫下使用基於自旋的量子信息技術一直是科學家們的目標。目前,來自瑞典、芬蘭和日本的研究人員已經構建了一種半導體組件,在這種組件中,電子自旋和光之間可以有效地交換信息–在室溫及更高溫度下。

科學家利用技術突破實現實用的半導體自旋電子技術

眾所周知,電子具有負電荷,而且它們還有另一個特性,即自旋。後者可能會被證明在信息技術的發展中發揮著至關重要的作用。簡單地說,我們可以想像電子繞著自己的「軸線」旋轉,就像地球繞著自轉軸旋轉一樣。自旋電子學–未來信息技術的一個有前途的候選者–利用電子的這種量子特性來存儲、處理和傳輸信息。這帶來了重要的好處,比如比傳統的電子產品速度更快,能耗更低。

近幾十年來自旋電子學的發展是以金屬的使用為基礎的,這些發展對於儲存大量數據的可能性來說非常重要。然而,使用基於半導體的自旋電子學會有幾個優勢,就像半導體構成當今電子學和光子學的骨幹一樣。

“基於半導體的自旋電子學的一個重要優勢是可以將自旋態所代表的信息轉換並轉移到光上,反之亦然。這種技術被稱為光自旋電子學。領導該項目的瑞典林雪平大學教授陳偉民說:”它將使基於自旋的信息處理和存儲與通過光的信息傳輸結合起來成為可能。”他說:”光自旋電子學是一種基於自旋的電子學技術。

科學家利用技術突破實現實用的半導體自旋電子技術

由於目前使用的電子器件都是在室溫及以上的環境下工作,自旋電子學發展中的一個嚴重問題是,當溫度升高時,電子的自旋方嚮往往會發生切換和隨機化。這意味著電子自旋狀態所編碼的信息會丟失或變得模糊不清。因此,在室溫和較高的溫度下,我們能使基本上所有的電子都定向到相同的自旋狀態,並保持這種狀態,換句話說,它們是自旋極化的,這是發展基於半導體的自旋電子學的必要條件。以往的研究在室溫下,電子自旋極化最高只有60%左右,無法實現大規模的實際應用。

目前林雪平大學、坦佩雷大學和北海道大學的研究人員已經實現了室溫下電子自旋極化大於90%。即使在110℃的高溫下,自旋極化仍保持在較高的水平。這一技術進步在《自然光子學》上有所描述,它是基於研究人員用不同的半導體材料層構建的一種光自旋納米結構。它包含稱為量子點的納米級區域。每個量子點約是人類頭發的厚度的萬分之一。

當自旋偏振的電子撞擊在量子點上時,它就會發射光–更准確地說,它發射的是單光子,其狀態(角動量)由電子自旋決定。因此,量子點被認為具有巨大的潛力,可以作為電子自旋和光之間傳遞信息的接口,這將是自旋電子學、光子學和量子計算所必需的。在最新發表的研究中,科學家們表明,可以利用相鄰的自旋濾波器遠程控制量子點的電子自旋,而且是在室溫下。

科學家利用技術突破實現實用的半導體自旋電子技術

量子點由砷化銦製成,一層砷化鎵氮起到自旋過濾器的作用。它們之間夾著一層砷化鎵。類似的結構已經被用於基於砷化鎵的光電技術中,研究人員認為,這可以使自旋電子學更容易與現有的電子和光子元件集成。

「我們非常高興的是,我們長期努力提高製造高度控制的含N半導體所需的專業知識,正在界定自旋電子學的新領域。到目前為止,我們在將這種材料用於光電子器件時取得了良好的成功,最近一次是在高效太陽能電池和雷射二極體方面。現在,我們期待著繼續這項工作,將光子學和自旋電子學結合起來,利用一個共同的平台來實現基於光和基於自旋的量子技術,」芬蘭坦佩雷大學研究團隊負責人Mircea Guina教授說。

科學家利用技術突破實現實用的半導體自旋電子技術

什麼是自旋電子學?

自旋電子學是一種利用電子的電荷和自旋來處理和傳遞信息的技術。

電子的自旋可以設想為當電子繞其軸線順時針或逆時針旋轉時產生,就像地球繞其軸線旋轉一樣。這兩個旋轉方向被稱為 “向上 “和 “向下”。在當今的電子技術中,電子電荷被用來代表0和1,並以此來承載信息。相應的,在自旋電子學中也可以用電子的自旋狀態來表示信息。

在量子物理學的世界里,一個電子可以同時擁有兩個方向的自旋(從而處於1和0的混合狀態)。當然,這在傳統的 “經典 “世界中是完全不可想像的,也是量子計算的關鍵。因此,自旋電子學對於量子計算機的發展是很有前途的。

光自旋電子學就是將電子自旋狀態所代表的信息傳遞給光,反之亦然。光,光子就可以通過光纖,非常迅速地、跨越長距離地將信息傳遞下去。電子的自旋狀態決定了光的特性,或者說得更准確一些,它決定了光的電磁場會圍繞著行進方向順時針還是逆時針旋轉,大致就像開瓶器可以有順時針或逆時針的轉動方向一樣。

來源:cnBeta