自旋電子研究新突破 沖擊存儲(chǔ)與處理技術(shù)

位于蘇黎世(Zurich)的IBM研究中心(IBMResearch)與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)研究人員宣布，觀察到了半導(dǎo)體中的持續(xù)性電子自旋螺旋(persistent spinhelix)，此結(jié)果可能對(duì)未來(lái)信息的存儲(chǔ)與處理技術(shù)帶來(lái)沖擊。

IBM表示，該研究團(tuán)隊(duì)觀察到了半導(dǎo)體內(nèi)同步移動(dòng)了數(shù)十微米(micrometer)的電子自旋，而且這些電子同步移動(dòng)的模式很類似跳華爾滋的一對(duì)舞者。此外研究人員也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同步化的電子從半導(dǎo)體晶格通過(guò)，能將電子自旋協(xié)調(diào)的周期延長(zhǎng)至30~1.1納秒(nanosecond)。這樣的結(jié)果意味著可利用電子自旋取代電荷做為資料儲(chǔ)存與處理的基礎(chǔ)，如此就可克服芯片體積縮小所帶來(lái)的極限。

蘇黎世IBM研究中心的納米系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)物理學(xué)家GianSalis表示：“舉例來(lái)說(shuō)，就算一開始所有的電子對(duì)都是由面朝北方的“女舞者”開始移動(dòng)，過(guò)了一會(huì)兒之后，所有旋轉(zhuǎn)的電子對(duì)都會(huì)被導(dǎo)往不同的方向。我們現(xiàn)在能鎖定那些“舞者”旋轉(zhuǎn)的速度以及移動(dòng)的方向，如此就能透過(guò)完美的“編舞”，讓某個(gè)特定區(qū)域的“女舞者”面朝同樣的方向?！?BR>
這種控制以及操縱、觀察電子自旋的能力，是未來(lái)開發(fā)以自旋為基礎(chǔ)、可利用電氣編程的晶體管之重要步驟。而鎖定電子自旋的概念早在2003年就被提出，自從那時(shí)候開始，有一些實(shí)驗(yàn)也曾發(fā)現(xiàn)可進(jìn)行該種鎖定的跡象，但迄今一直都沒(méi)有被直接觀察到。研究團(tuán)隊(duì)是利用自旋軌道的交互作用來(lái)取得同步化，并以短雷射脈沖來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)千個(gè)電子自旋。

通常這類電子自旋的旋轉(zhuǎn)都是隨機(jī)的、而且方向性松散，科學(xué)家現(xiàn)在則能觀察到那些自旋是如何巧妙排列成一種規(guī)律的條紋狀(stripe-like)圖案，也就是所謂的持續(xù)性電子自旋螺旋。以上實(shí)驗(yàn)是利用ETH所提供，經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)的超純凈砷化鎵(gallium arsenide)來(lái)進(jìn)行。

不過(guò)要想將自旋電子研究成果商業(yè)化，還有非常多障礙需要克服；其中一個(gè)就是自旋電子研究通常需要在低溫之下進(jìn)行，好將電子自旋與周遭環(huán)境之間的交互作用降到最低。IBM研究人員的實(shí)驗(yàn)就是在凱式溫度40度(Kelvin，攝氏零下233度)進(jìn)行；這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果論文(Directmapping of the formation of a persistent spin helix)發(fā)表在8月號(hào)NaturePhysics期刊。