什么叫做自旋极化

什么叫做自旋极化,第1张

自旋极化电流是发生自旋翻转的时候,所需要流过自旋逻辑器件的电流。磁性材料的磁动力学一直是重要课题,其中磁矩翻转更是引起了科学工作者们广泛的关注和讨论,因为磁矩翻转可以被广泛运用到我们实际生活中的磁性存储器中。

自旋极化率是指在一定条件下让电子、原子核等带电粒子的自旋方向都朝向某一个特定的方向排列,从而产生产生磁性的几率在非相对论量子力学中,电子自旋是作为实验事实接受的。其量子数为1/2,是电子的一个内禀自由度。就是说在极化时,电子的空间取向会有两种。 在相对论量子力学中,电子的自旋可由Dirac方程直接给出。可以看作是一种相对论效应 。

物理学家经常将自旋解释为粒子的旋转,但这种描述并不确切。实际上,自旋是量子量,不能用经典术语来描述。正如质子不是一块微小的石球,而是一连串的幻影粒子不断出现和消失形成的总体,它的旋转是一个复杂的概率属性,其值总是固定等于1/2。

夸克也有1/2的自旋。物理学家最初假设质子的三个夸克中的两个总是在相反的方向旋转,相互抵消,剩下的一半作为质子的总自旋,不过科学家们发现这不过是多年前的天真想法。80年代末,有研究者首次测量了夸克自旋对质子自旋的贡献,发现其贡献居然为0%!这非常让人吃惊。后来的测量结果实际上表明夸克可以贡献高达质子总自旋量的25%,但剩下的大部分自旋却仍然下落不明。

据外媒报道,未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来,能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前, 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件,在这种组件中,电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。

众所周知,电子具有负电荷,而且它们还有另一个特性,即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说,我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转,就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处,比如比传统的电子产品速度更快,能耗更低。

近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的,这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而,使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势,就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。

"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上,反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说:"它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说:"光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。

由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作,自旋电子学发展中的一个严重问题是,当温度升高时,电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此,在室温和较高的温度下,我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态,并保持这种状态,换句话说,它们是自旋极化的,这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下,电子自旋极化最高只有60%左右,无法实现大规模的实际应用。

目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下,自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述,它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。

当自旋偏振的电子撞击在量子点上时,它就会发射光--更准确地说,它发射的是单光子,其状态(角动量)由电子自旋决定。因此,量子点被认为具有巨大的潜力,可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口,这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中,科学家们表明,可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋,而且是在室温下。

量子点由砷化铟制成,一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中,研究人员认为,这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。

“我们非常高兴的是,我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识,正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止,我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功,最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在,我们期待着继续这项工作,将光子学和自旋电子学结合起来,利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术,”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。

什么是自旋电子学?

自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。

电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生,就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中,电子电荷被用来代表0和1,并以此来承载信息。相应的,在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。

在量子物理学的世界里,一个电子可以同时拥有两个方向的自旋(从而处于1和0的混合状态)。当然,这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的,也是量子计算的关键。因此,自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。

光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光,反之亦然。光,光子就可以通过光纤,非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性,或者说得更准确一些,它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转,大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。

与重要半导体相容的高自旋极化率磁性材料被认为是未来纳米尺度上的自旋电子器件的理想组件,但是这就要求当器件尺寸降到纳米尺度时相应材料仍然具有高自旋极化率和优良的结构和性能稳定性。在这方面,与III-V或II-VI半导体相容的半金属(half-metallic)铁磁体明显优于稀磁半导体,因为尺度降到纳米量级后稀磁半导体内磁性原子太少而导致性能下降,甚至消失。探索合适的半金属铁磁材料显得至关重要。

物理所刘邦贵研究员与牛津大学David G Pettifor教授合作,在这方面取得了显著的进展。他们先期用准确的第一原理密度范函理论方法首先证明:闪锌矿结构的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003);cond-mat/0206485),以及MnBi(Physical Review B 66,184435 (2002))具有良好的半金属铁磁性,并且研究了相应半金属铁磁性的形成机理。在此基础上,他们基于准确系统的电子结构和形变结构计算进一步证明:三个过渡金属硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相是优质半金属铁磁体,不仅具有很宽的半金属能隙(half-metallicgap),相对于基态相的总能还不高,大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物(pnictides)的相对总能,同时,其结构稳定性明显优于已经较好地合成出来的CrAs闪锌矿结构薄膜(最大约5个单胞层厚)。很宽的半金属能隙意味着可能在较高温度下得到高自旋极化率,这已被德国Kuebler教授的最新计算所证明;相对总能低并且结构稳定性好,使得足够厚度(约5~50个单胞层)的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构易于通过外延生长技术获得。这些优异特性使得这些材料将很可能在纳米尺度的自旋电子学器件中得到实际应用。

该项研究得到973“纳米材料与纳米结构”项目(G1999064509)、基金委优秀团队项目(60021403)支持,这项研究成果发表在2003年7月15日出版的美国《物理评论快报》PhysicalReviewLetters91,037204(2003)上。进一步的研究正在进行之中。


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