新的量子系统可以帮助设计更好的自旋电子学。

新的量子系统可以帮助设计更好的自旋电子学。

研究人员为量子系统创造了一个新的试验场,在那里他们可以真正地打开和关闭某些粒子的相互作用,可能为自旋电子学的发展铺平道路。

图片说明:普渡大学的研究人员用激光将原子俘获并冷却到接近绝对零度,在这一点上,它们变成了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的量子流体,并与相反的自旋碰撞。(普渡大学照片/普渡量子中心)

自旋输运电子学有潜力革新我们所知的电子设备,特别是在计算方面。虽然标准电子学使用电子的电荷来编码信息,但自旋电子学器件依赖于电子的另一个固有特性:自旋。

自旋电子学可能比传统的电子技术更快、更可靠,因为这些设备使用的电力更少。然而,该领域还很年轻,研究人员需要解决许多问题来改进对自旋信息的控制。这个领域最复杂的问题之一是自旋粒子携带的信号如何随时间衰减,这就是自旋流。

“我们需要的使自旋电子学工作的信号,以及研究这些东西的信号,都会衰减。正如我们需要良好的手机服务来打电话一样,我们也希望这个信号很强,”普渡大学电子和计算机工程研究生李传勋说。“当自旋电流衰减时,我们会失去信号。”

在现实世界中,电子并不独立于它们周围的一切事物而存在,它的行为正是我们所期望的。它们与其他粒子以及它们内部不同的性质相互作用。粒子的自旋(固有性质)和动量(非固有性质)之间的相互作用称为自旋-轨道耦合。

根据《自然通信》的一篇新论文,自旋轨道耦合和与其他粒子的相互作用可以显著增强被称为玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的量子流体中的自旋电流衰减。

李说:“人们想操纵自旋形成,这样我们就可以用它来编码信息,而实现这一点的一种方法是使用物理机制,如自旋-轨道耦合。”但是,这可能会导致一些缺点,例如自旋信息丢失。

这项实验是在普渡大学的物理学和天文学教授陈勇(音译)以及电气和计算机工程实验室进行的,他的团队在那里为BECS创造了类似于微型粒子对撞机的东西。利用激光,铷87原子在真空室中被俘获并冷却到接近绝对零度。(物理学爱好者可能会回忆起1997年激光冷却技术获得诺贝尔物理学奖。激光捕获赢得了2018年的奖项。)

此时,原子变成了BEC:物质五态中最冷、最神秘的。随着原子变冷,它们开始显示出类似波的性质。在这个量子态中,他们有一个身份危机;他们彼此重叠,停止了像个人一样的行为。虽然从技术上讲BEC不是一种气体,但这可能是最简单的描述它的方法——物理学家不经意地将其称为量子流体或量子气体。

在微型量子流体对撞机内,陈的团队发射了两个具有相反自旋的BEC,它们相互碰撞。就像两团气体云一样,它们部分地相互渗透,传递出旋转的电流。

“当两个冷凝物发生碰撞时,会发生许多有趣的现象。最初,它们是超流体,但当它们碰撞时,部分摩擦会将它们转化为热气体,”陈说。“因为我们可以控制每个参数,所以这是一个研究此类碰撞的非常有效的系统。”

利用这个系统,研究人员可以真正地打开和关闭自旋-轨道耦合,这使得他们能够隔离自旋-轨道耦合对自旋电流衰减的影响。陈说:“固态材料中的电子不能做到这一点,而固态材料正是这个系统如此强大的原因之一。”

所谓的量子气体是人类能制造的最干净的系统。没有混乱,这使得我们可以创造一个纯自旋电流并研究它的性质。陈希望继续利用这个实验场和他们的玻色子自旋流来进一步探索自旋输运和量子动力学中的许多基本问题。

他说:“对自旋电子学和其他相关量子技术来说,一个重要的挑战是减少衰变,以便我们能够在更长的距离、更长的时间内传播自旋信息。”“有了自旋轨道耦合作用的新知识,这将有助于人们获得减少自旋衰变的新见解,并有可能设计出更好的自旋电子器件。”

这项研究得到了普渡大学、普渡大学研究基金会、美国国家科学基金会、美国能源部、国防部和香港研究委员会的支持。

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