用绝缘体做电线?“电子自旋”或淘汰元件中的导体

在下个世代,信息处理技术极有可能从基于现有的电荷流动,演化至应用电子自旋。但首先,我们必须更好的理解和控制自旋的机制,并制备配套的逻辑门、电路等与自旋晶体管并驾齐驱的电子器件。


最近,哈佛大学的研究人员在实现“自旋电子”器件上迈出了重要的一步,他们研发出一种测量和控制电子自旋电压(也称作自旋化学势)的技术。


图丨哈佛科学家利用金刚石探究自旋电子器件


正如驱动电荷在导体中流动的电压一般,“自旋电压”是电子自旋在物质中扩散的趋势。在电流的概念中,电子从导体中的一点运动到另外一点。然而,在自旋的概念中,电子能在无物理运动下将自旋转移给其邻近的电子。这种电子间的自旋作用将形成一种波,使得自旋能够在无自由电子的绝缘材料中扩散。


研究人员利用了金刚石中的氮空位缺陷,这些"氮空位"(Nitrogen-Vacancy)缺陷可以增强绝缘体中的自旋电压,从而使探测变的更容易。实现从绝缘材料中读取出自旋电压对于制备自旋电子器件是非常关键的。


图丨金刚石晶格中的氮空位


正如哈佛大学博士后研究员、该论文的共同第一作者Chunhui Du在IEEE Spectrum的邮件采访中提到的:“通常绝缘体中的电子自旋寿命要长于导体,因此绝缘体中的自旋能实现更长距离的无衰减传输,这一特性可能对长程量子信息输运非常重要。”


自旋电子学将自旋与信息研究领域联系起来,凭借其自身的魅力不断的吸引着我们的注意。


自旋器件所面临的挑战之一是:电子自旋在材料中转瞬即逝的特质。众所周知,计算机读出装置用读头来读取芯片上的电子信号。对于普通硬盘的读头,自旋只需扩散几纳米就能够实现信息的传递,所以短寿命不会造成问题。然而,如果我们使自旋扩散更远的距离,就很有可能实现信息的传输。


这项研究之所以如此重要,是因为它不仅通过测量绝缘材料中的自旋电压,在更大的距离上扩展了电子自旋。利用研究者开发的技术,实现了材料在纳米尺度下的测量。


图丨电子自旋


根据Science对于此项研究的描述,这项技术起源于对金刚石中的NV(氮空位)缺陷的探究。在金刚石中,碳原子的立体网络组成了晶格结构,而在这个网络内部,单个的碳原子会被作为杂质的氮原子所代替——这种“氮空位”使得金刚石可以探测微小的磁场。研究人员将以金刚石为材料,制成了含有一个氮空位中心的纳米棒,并将这些纳米棒放置在样品上方几纳米处。


将纳米棒传感器与样品装备好后,研究人员用微波磁场激发在绝缘体中激起了自旋波(另外的一种产生自旋波的方法是,利用磁铁一端的铂金属条将电流转换成自旋波)。最后利用纳米棒传感器检测自旋波,并给出材料中自旋波的分布信息。


图丨电流电流与电子自旋形成的电流


无疑,测量自旋电压还有其他的方法,不过Du和他同事们发现他们所提出的技术与其他方法有着本质的差别。如Du所说,他们的技术是使用一个单一的自旋传感器来测量局部磁场涨落。该方法不给材料带来损伤,并且给出了纳米量级的空间分辨率,其具体的分辨率由传感器和所研究系统间的距离决定。


哈佛大学博士后研究员、该论文的共同第一作者Toeno Van der Sar,在发布会上说到:“这种技术的优点在于它的局域性,在样品上方几纳米处的就可以对样品进行测量,也就意味着你可以在空间上对芯片尺度的自旋波器件进行化学势研究,比如自旋波计算机。这是其他技术所不能比拟的。“


在今后的研究中,Du和他的同事打算用这种方法继续探索绝缘材料中的自旋传输。


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