实现室温下超高电子自旋极化率，自旋电子半导体芯片成为可能

　　作者文龙
　　目前最先进的半导体制造工艺为7nm，但由于量子尺寸效应，晶体管节点大小的极限为1nm。因此，半导体制造厂商转向自旋电子作为未来的替代技术。基于自旋电子的量子信息技术具有将半导体设备和磁存储设备集成在单个芯片中的能力，长期以来，科学家一直致力于在室温条件下使用这项技术的目标。
　　近日，来自瑞典、芬兰和日本的研究人员报告，他们已经构建了一种半导体器件，该器件可以在室温以及更高的温度下有效地在自旋电子和光子之间交换信息，证明了在常见的半导体纳米结构中实现光电自旋功能的可行性。
　　研究成果于4月8日以为通过远程自旋滤波，室温下光子自旋电子半导体纳米结构中的电子自旋极化率超90（Roomtemperatureelectronspinpolarizationexceeding90inanoptospintronicsemiconductornanostructureviaremotespinfiltering）题发表在《自然光子学》（NaturePhotonics）杂志上。
　　自旋电子技术可以优化信息存储的处理和传输。自1990年代以来，我们目睹了基于金属的自旋电子技术彻底改变了大数据存储行业，大获成功。由于常规的半导体通常是非磁性的，需要在半导体中产生几乎完全自旋极化的载流子，但在室温条件下存在两大障碍：自旋极化率低和自旋电子的快速热淬灭。
　　林雪平大学，坦佩雷大学和北海道大学的研究人员使用相邻的自旋滤波器来远程控制量子点的电子自旋。具体来说，他们构建出含有量子点的光子自旋电子纳米结构，每个量子点比人类发丝直径还小大约10，000倍。经过滤波器的自旋电子撞击量子点时，会发射出一个单光子，其状态（角动量）由自旋电子决定。
　　图示：光子自旋电子纳米结构。（来源：LiU）
　　实验结果表明，已经可以在室温下实现超过90的电子自旋极化，并且在高达110C时仍可以保持较高的水平。光子自旋电子技术
　　众所周知，电子具有正负电荷，但它们还具有另一种特性，即自旋。与地球绕其轴旋转的方式相同，电子绕其轴顺时针或逆时针旋转形成电子的自旋。在当今的电子技术中，使用电子的电荷表示0和1，并以此方式携带信息。相应地，可以使用电子的自旋状态的形式表示信息。
　　自旋电子很有可能成为未来信息技术的希望。电子的这种量子特性可以用来存储、处理和传输信息，利用自旋电子制造的器件具有更高的速度和更低的能耗。但在量子物理学的世界中，电子可以同时具有两个自旋方向（处于1和0的混合状态）。因此，自旋电子技术有望用于量子计算机的发展。
　　图示：电子的自旋方向与手性光的角动量之间的转换。（来源：LiU）
　　自旋电子半导体的一个重要优点是可以将自旋状态表示的信息传递给光子，光子再通过光纤以非常快地速度跨越很长的距离传输信息，接收到的光子再将信息传输给电子，该技术被称为光子自旋电子技术。
　　这将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输相集成成为可能，领导该项目的瑞典林雪平大学教授WeiminChen表示。Chen带领的团队多年致力于光子自旋电子领域的研究，曾设计出一种室温下高效的光子自旋电子接口，该研究就基于此开展。
　　图示：研究人员使用的实验装置（来源：LiU）室温造成的麻烦
　　由于当今使用的电子设备在室温或者更高温度下工作，自旋电子的发展存在一个严重的问题，即随着温度的升高，电子的自旋方向趋于随机化。这意味着由电子自旋态编码的信息丢失或模棱两可。因此，自旋电子半导体发展的必要条件是可以使室温下所有电子的自旋态基本取向相同并保持。先前的研究在室温下实现了约60的电子自旋极化，这在大规模实际应用中是站不住脚的。
　　在该团队新设计的光电自旋电子纳米结构中，量子点由砷化铟（InAs）制成，砷化镓氮镓（GaNAs）层用作自旋过滤器，中间夹有一层砷化镓（GaAs）。类似的结构已经在基于砷化镓的光电技术中使用，因此，研究人员认为该自旋电子器件与现有的光电器件集成起来更加容易。
　　图示：通过远程自旋滤波在室温下产生创纪录的高电子自旋极化。（来源：论文）
　　我们非常高兴能够为制造高度受控的含氮半导体所需的专业知识做出贡献，芬兰坦佩雷大学研究团队负责人MirceaGuina教授表示。我们已经成功地将此类材料用于高效太阳能电池和激光二极管等光电器件。现在，我们将继续这项工作，用基于光子和自旋电子的量子信息技术将光子学和自旋电子学结合起来。
　　论文链接：https：www。nature。comarticless4156602100786yrefCR20
　　参考内容：
　　https：liu。seennewsitemgenombrottmojliggorspinntronikavhalvledare
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