未来可能会使用信息技术,利用电子自旋在量子计算机中存储、处理和传输信息。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。来自瑞典、芬兰和日本的一组研究人员现在已经构建了一种半导体元件,在该元件中,信息可以在室温或室温以上的条件下有效地在电子自旋和光之间交换,此研究成果发表在《自然光子学》上。
自旋电子学——未来信息技术的一个很有前途的候选者——利用电子的量子特性来存储、处理和传递信息,比传统电子产品更快的速度和更低的能耗。
近几十年来,自旋电子学的发展是基于金属的使用,这对存储大量数据的可能性具有重要意义。基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋状态表示的信息转换为光,反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。这将使基于自旋的信息处理和存储与通过光传输的信息融合成为可能。
光自旋纳米结构中的量子点由砷化铟(InAs)制成。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。
由于现在使用的电子是在室温或更高的温度下工作的,自旋电子学发展中的一个严重问题是,当温度升高时,电子倾向于改变自旋方向并使其随机化。这意味着由电子自旋态编码的信息丢失或变得模糊。因此,在室温或更高的温度下,我们可以使所有电子基本处于相同的自旋状态并保持它,换句话说,它们是自旋极化的,这是发展半导体自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下获得了60%左右的最高电子自旋极化,无法实现大规模的实际应用。
Linköping大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员现在已经在室温下实现了超过90%的电子自旋极化。即使到了110°C,自旋极化仍然保持在很高的水平。这项技术进步,是基于研究人员从不同半导体材料层构建的光自旋电子纳米结构。它包含被称为量子点的纳米级区域。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。当一个自旋极化的电子撞击一个量子点时,它会发出光——更精确地说,它会发出单个光子,其状态(角动量)由电子自旋决定。在自旋电子学、光子学和量子计算中,量子点作为电子自旋和光之间的信息传递界面具有巨大的潜力。该研究成果证明,在室温下,利用相邻的自旋过滤器远程控制量子点的电子自旋是可能的。
这些量子点由砷化铟(InAs)和一层砷化镓氮(GaNAs)组成,起自旋过滤器的作用。在它们之间夹有一层砷化镓(GaAs)。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中,研究人员相信这可以使自旋电子学与现有的电子和光子元件更容易集成。
论文信息:"Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering", Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova and Weimin M. Chen, (2021), Nature Photonics, published online on 8 April 2021, doi: 10.1038/s41566-021-00786-y