微米和纳米科技材料

二维材料让自旋电子学和纳米光子学结合得更紧密!

导读

近日,荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所与荷兰科学研究组织 AMOLF 研究所合作,开发出一种在室温下将自旋信息转化为可预见的光信号的方法。这一发现让自旋电子学与纳米光子学结合得更加紧密,有望为数据中心的数据处理开辟一条更加节能的途径。

背景

今天,让我们从 Spintronics 说起。Spintronics,也称为“自旋电子学 ” ,是一门新兴的前沿学科和技术。要理解它,我们先得说说电子的两个关键属性:电荷与自旋。电荷这一属性,大家都不会陌生,现代的微电子技术往往都是在利用这一属性。传统计算机往往都是通过电流传输和处理相关数据,然而电流流过电阻会产生热量,而正是这种发热现象影响了电子器件的性能。

但是,自旋这一属性却没有得到足够重视。1925年由G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析原子光谱的一些实验结果,提出电子具有自旋的特性,以及与电子自旋相联系的自旋磁矩。从此,人们开始认识到电子自旋的特性,并且逐步开始研究它。1980年,科学家在固态器件中发现了与电子自旋有关的电子输运现象,于是便开始出现了自旋电子学。自旋电子学 (Spintronics)利用了电子的自旋和磁矩,使得固体器件中除电荷输运外,还加入电子的自旋和磁矩。

自旋电子学的应用包括:硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等等。自旋电子器件相比于传统微电子器件,具有存储密度高、能耗低、响应快等多种优点。

例如,笔者曾经介绍过美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出一种新型计算机器件:全碳自旋逻辑器件。它完全由碳构成,采用了自旋电子学原理。尺寸比硅晶体管更小,性能却更佳,未来有望取代硅晶体管。

二维材料让自旋电子学和纳米光子学结合得更紧密!

(图片来源于:参考资料【3】)

不幸地是,“自旋”仅仅可以维持相当短的时长,让它难以在电器器件中得到有效利用。

创新

为了解决上述问题,近日荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所( Kavli Institute of Nanoscience Delft)与荷兰科学研究组织 AMOLF 研究所合作,开发出一种在室温下将自旋信息转化为可预见的光信号的方法。

二维材料让自旋电子学和纳米光子学结合得更紧密!

(图片来源:TU Delft)

昨日,笔者为大家介绍了荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft )教授 Vandersypen 领导的科学家团队在硅量子芯片中,将电子自旋的量子信息可以传送至光子的研究成果。今天介绍的研究成果与昨天介绍的研究成果似乎有一种异曲同工之妙,两篇论文都发表于《科学》(Science)杂志。

二维材料让自旋电子学和纳米光子学结合得更紧密!

(图片来源:TU Delft)

技术

这项研究围绕着一种由两种组件构成的纳米结构,它们分别是:一种极细的银线;一种称为“二硫化钨”二维材料。研究人员将银线连接到只有四个原子厚度的二硫化钨薄片上,使用圆偏振光,创造出具有特定旋转方向的“激子”。自旋的方向可以使用激光的旋转方向来初始化。

在光跃迁过程中,被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用,将形成一个束缚态,称为激子。简单说,激子实际上代表着脱离轨道的电子。通过这一技术,激光光束保证了电子激发到带正电的“空穴”周围更广阔的轨道上,这非常像氢原子。这样创造出的激子想要返回它们的初始状态。在它们回到更小的轨道的过程中,会以光的形式发射出能量包。这种光线含有自旋信息,但是它向所有的方向发射。

为了使得这种自旋信息可以投入使用,Delft 研究人员想到了他们之前更早的研究。他们已经演示了当光线沿着纳米线移动时,在离线非常近的地方有一个旋转的电磁场伴随着它:它在线的一侧沿着顺时针方向自旋,在另一侧则沿着逆时针方向自旋。当光线向着相反方向移动时,自旋的方向也会改变。所以,电磁场的局部旋转方向与光线沿着纳米线传输的方向一对一锁定。Kuipers 表示:“我们使用这一现象作为一种锁定结合。如果两个旋转方向相对应, 一个具有特殊旋转方向的激子只能发射出沿着线传输的光线。”

所以,自旋信息与光线沿着纳米线的传播方向之间就创造起一种直接联系。它工作得几乎完美:在90%的情况下,自旋信息沿着纳米线的正确方向“发射”。

价值

这样一来,脆弱的自旋信息能够被小心翼翼地转化为光信号,并向更远的距离传输。由于这项技术可工作在室温下,你可以简便地制造出新的光电电路。

Kuipers 表示:“你无需电子流,所以也没有热量释放出来。这将使得传输信息时的功耗非常低。”对于数据中心这样高能耗的地方来说,这项研究有望开辟一条节能途径。

另外,这项发现还有一个重要价值,就是它为自旋电子学与纳米光子学的结合扫清了障碍。Kuipers 表示:“这种结合将带来纳米尺度的绿色信息处理方案。”

关键字

纳米、电子、光子、自旋

参考资料

【1】httpss://www.tudelft.nl/en/2018/tu-delft/researchers-from-tu-delft-combine-spintronics-and-nanophotonics-in-2d-material/

【2】Su-Hyun Gong, Filippo Alpeggiani, Beniamino Sciacca, Erik C. Garnett, L. Kuipers. Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling. Science, 2018; 359 (6374): 443 DOI: 10.1126/science.aan8010

【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

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