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新技术控制和测量电子自旋电压

发布时间:2019-01-29 14:17:10 来源:

未来的信息技术可能会使用电子自旋 - 而不是电子电荷 - 来传递信息。但首先,科学家需要更好地了解如何控制自旋,并学习如何构建自旋等效电子元件,从自旋晶体管到自旋门和电路。

现在,哈佛大学的研究人员开发出一种控制和测量自旋电压的技术,称为自旋化学势。该技术使用钻石中的原子尺寸缺陷来测量化学势,实质上是一种纳米级自旋万用表,可以在芯片级器件中进行测量。

该研究发表在“ 科学”杂志上。

“人们对可以进行旋转的绝缘材料越来越感兴趣,”哈佛大学物理系和应用物理系教授阿米尔·亚科比说,他是John A. Paulson工程与应用科学学院的教授,也是该论文的高级作者。“我们的工作开辟了一种新的方式来观察磁铁等材料中的这些旋转。”

在导电材料中,电子可以通过从点A移动到点B来携带信息。这是电流。另一方面,旋转可以通过波浪中的绝缘材料传播 - 每个电子静止不动并将旋转传递给其耦合的邻居,就像量子游戏一样。

为了将这些波从A点驱动到B点,研究人员需要开发一种技术来增加自然化学势 - 自旋电压 - 在局部水平。

“如果你在A位置有很高的化学势,而在B位置的化学势很低,那么自旋波开始从A扩散到B,”物理系的博士后研究员杜春晖说,他是该论文的共同第一作者。 。“这是自旋电子学中一个非常重要的概念,因为如果你能够控制自旋波传输,那么你可以使用这些自旋波代替电流作为信息的载体。”

研究人员使用了两种自旋波注入方法:首先,他们应用快速振荡的微波磁场来激发自旋波。在第二种情况下,他们使用位于磁体一端的铂金属条将电流转换为自旋波。

“值得注意的是,这种材料是绝缘体;它不会传导任何电流,你仍然可以通过自旋波形式发送信息,”物理系博士后研究员Toeno Van der Sar说。 - 论文的第一作者。“自旋波是如此有前景,因为它们可以长时间行进而不会腐烂,并且由于没有移动的电子,几乎没有产生任何热量。”

一旦团队将自旋波注入材料中,下一步就是弄清楚如何测量有关这些波的信息。研究人员转向钻石中的氮空位(NV)缺陷。这些缺陷 - 其中金刚石中的一个碳原子被氮原子取代并且相邻原子被去除 - 可用于检测微小磁场。

研究人员制造了含有NV中心的微小钻石棒,并将它们放置在样品上方纳米。当自旋波穿过材料时,它们会产生一个磁场,由NV中心拾取。

基于NV中心测量,研究人员现在可以计算出自旋化学势,自旋波的数量,它们如何在材料中移动以及其他重要见解。

“这种技术的好处在于它非常本地,”范德萨说。“您可以在样品上方几纳米处进行这些测量,这意味着您可以在芯片级自旋波器件中空间研究化学势,例如,自旋波计算机。这是不可能的一些其他最先进的技术。“

该系统还可以提供更多奇异物理的一瞥,如自旋波霍尔效应,或显示自旋波传输是流体动力学的。

“我们用来控制和测量自旋化学势的原理非常普遍。它开辟了研究新材料中更多外来自旋现象的方法,并有助于开发新的自旋电子器件,”Du说。

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