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研究人员开发了控制和测量电子自旋电压的技术

实验帮| 2017-7-20 15:20

研究人员使用钻石中的原子尺寸缺陷来检测和测量由自旋波产生的磁场。图片来源: 哈佛大学未来的信息技术可能会使用电子自旋而不是电子电荷来携带信息。但首先,科学家需要更好地了解如何控制自旋,并学习建立电子元件 ...
  

研究人员使用钻石中的原子尺寸缺陷来检测和测量由自旋波产生的磁场。图片来源: 哈佛大学

未来的信息技术可能会使用电子自旋而不是电子电荷来携带信息。但首先,科学家需要更好地了解如何控制自旋,并学习建立电子元件的自旋等价物,从自旋晶体管到自旋门和自旋电路。

根据约克大学生物学家发现的一项新研究表明,暴露于田间现实水平的新烟碱下的工蜂和蜂后很容易早死,这降低了整个种群的健康。

目前,哈佛大学的研究人员已经开发出一种控制和测量自旋电压的技术,被称为自旋化学势。这种在钻石中使用原子尺寸缺陷来测量化学势,这种技术本质上是一个可以在芯片级设备中进行测量的纳米尺度的自旋万用表。

这项研究发表在Science杂志上。

“对能够进行自旋的绝缘材料的兴趣日益增加,”哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院物理与应用物理系教授、本论文的高级作者Amir Yacoby说到,“我们的工作开发出一种新的方式来看待材料,如磁性材料中的这些自旋。“”

在导电材料中,电子可以通过从点A移动到点B来携带信息。这是电流。另一方面,自旋可以在绝缘材料中以波浪形式传播-每个电子静止不动并且将自旋传递给与其耦合的相邻电子,如电话的量子游戏。

为了将这些波形从点A驱动到点B,研究人员需要开发一种在局部级别提高自旋化学势-自旋电压的技术。

“如果A位置化学势较高,位置B的化学势低,自旋波开始从A扩散到B,”物理系博士后研究员、本论文的共同第一作者Chunhui Du说到,“这是自旋电子学中非常重要的一个概念,因为如果你能够控制自旋波传输,那么您可以使用这些自旋波代替电流作为信息载体。”

研究人员使用两种自旋波注射法:第一个方法,他们应用快速振荡的微波磁场来激发自旋波。第二个方法,他们使用位于磁体一端的铂金属条将电流转换成自旋波。

“这种材料是绝缘体,它不会传导电流,但仍然可以通过旋转波形式发送信息。”-物理系博士后研究员、本论文的第一作者Toeno Van der Sar说到。“自旋波是非常有前途的,因为它们可以长时间行驶而不会衰减,而且由于没有移动的电子而几乎不产生任何热量。”

一旦该团队向材料中注入自旋波,下一步就是如何测量这些波的信息。研究人员转向钻石中的氮空位(NV)缺陷。这些缺陷-钻石中的一个碳原子被氮原子所取代,且相邻原子空位-可用于检测微小的磁场。

研究人员制造了含有NV中心的微小钻石棒,并将它们放置在距离样品上方几纳米。随着自旋波移动通过材料,它们产生一个由NV中心接收的磁场。

基于NV中心测量,研究人员现在可以计算出自旋化学势、自旋波数目,它们如何穿透材料以及其他重要参数。

“这种技术的好处在于它是非常局部的。Van der Sar说到。“你可以在样品上方几纳米进行这些测量,这意味着你可以在芯片尺度的自旋波器件中空间地研究化学势,比如说,一台自旋波计算机。使用当今最先进一些其他的最高水平的技术也是不可能的。”

这个系统还可以瞥见更多异乎寻常的物理现象,如自旋波霍尔效应,或表明自旋波传输是流体力学的。

“我们用来控制和测量自旋化学势的原理是非常普通的,它开辟了研究新型材料中更多异乎寻常的自旋现象的方法,并有助于开发新的自旋电子器件。” Du说到。

——参考文献

Chunhui Du et al. Control and local measurementof the spin chemical potential in a magnetic insulator. Science, July 2017 DOI: 10.1126/science.aak9611

 

原文链接:(https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170713155018.htm


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