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旋转电子为未来的混合电子设备打开了大门

发布时间:2019-01-31 17:27:08 来源:

关于如何控制和转移旋转电子的发现为可以胜过现有半导体电子器件的新型混合器件铺平了道路。在Nature Communications上发表的一项研究中,瑞典林雪平大学的研究人员展示了如何将常用的半导体与拓扑绝缘体结合起来,拓扑绝缘体是最近发现的具有独特电学特性的物质状态。

就像地球围绕自己的轴旋转一样,电子也是顺时针或逆时针方向旋转。“自旋电子学”是用于描述利用电子的自旋和电荷的技术的名称。目前的应用受到限制,该技术主要用于计算机硬盘。与传统电子产品相比,自旋电子学具有很大的优势,包括更低的功耗和更高的速度。

在导电方面,天然材料分为三类:导体,半导体和绝缘体。研究人员最近发现了一种称为“拓扑绝缘体”的奇异物质,它是一种绝缘体,但是表面上是导体。拓扑绝缘体最引人注目的特性之一是电子必须沿着材料表面沿特定方向行进,由其自旋方向决定。此属性称为“自旋动量锁定”。

“拓扑绝缘体的表面就像一个组织良好的电子分开的高速公路,其中一个旋转方向的电子在一个方向上行进,而具有相反自旋方向的电子在相反的方向上行进。它们可以在指定的方向上快速行进没有碰撞,也没有失去能量,“林玉清大学物理,化学和生物学系(IFM)博士生余玉清说。

这些特性使得拓扑绝缘体有望用于自旋电子应用。然而,一个关键问题是如何在拓扑绝缘体中产生和操纵表面自旋电流。

目前研究背后的研究团队现已迈出了在拓扑绝缘体和传统半导体之间转移自旋电子的第一步。它们在砷化镓GaAs(一种常用于电子产品的半导体)中以相同的自旋产生电子。为了实现这一点,他们使用圆偏振光,其中当沿光的行进方向看时,电场顺时针或逆时针旋转。然后,自旋极化电子可以从GaAs转移到拓扑绝缘体,以在表面上产生定向电流。研究人员可以控制电子的自旋方向,以及拓扑绝缘体碲化铋中的电流方向和强度,Bi 2 Te3。据研究人员称,这种灵活性以前没有。所有这些都是在不施加外部电压的情况下完成的,证明了从光能到电能的有效转换的潜力。该研究结果对于利用物质与光的相互作用的新型自旋电子器件的设计具有重要意义,这种技术被称为“光自旋电子学”。

“我们将GaAs的卓越光学特性与拓扑绝缘体的独特电气特性相结合。这为设计光电自旋电子设备提供了新的思路,可用于高效,稳健的信息存储,交换,处理和读取。未来的信息技术,“领导这项研究的陈伟民教授说。

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