二維材料讓自旋電子學和納米光子學結合得更緊密!

2020-12-04 環球創新智慧

導讀

近日，荷蘭代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所與荷蘭科學研究組織 AMOLF 研究所合作，開發出一種在室溫下將自旋信息轉化為可預見的光信號的方法。這一發現讓自旋電子學與納米光子學結合得更加緊密，有望為數據中心的數據處理開闢一條更加節能的途徑。

背景

今天，讓我們從 Spintronics 說起。Spintronics，也稱為「自旋電子學 」 ，是一門新興的前沿學科和技術。要理解它，我們先得說說電子的兩個關鍵屬性：電荷與自旋。電荷這一屬性，大家都不會陌生，現代的微電子技術往往都是在利用這一屬性。傳統計算機往往都是通過電流傳輸和處理相關數據，然而電流流過電阻會產生熱量，而正是這種發熱現象影響了電子器件的性能。

但是，自旋這一屬性卻沒有得到足夠重視。1925年由G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有自旋的特性，以及與電子自旋相聯繫的自旋磁矩。從此，人們開始認識到電子自旋的特性，並且逐步開始研究它。1980年，科學家在固態器件中發現了與電子自旋有關的電子輸運現象，於是便開始出現了自旋電子學。自旋電子學 （Spintronics）利用了電子的自旋和磁矩，使得固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。

自旋電子學的應用包括：硬碟磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射電晶體、自旋發光二極體等等。自旋電子器件相比於傳統微電子器件，具有存儲密度高、能耗低、響應快等多種優點。

例如，筆者曾經介紹過美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出一種新型計算機器件：全碳自旋邏輯器件。它完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。尺寸比矽電晶體更小，性能卻更佳，未來有望取代矽電晶體。

不幸地是，「自旋」僅僅可以維持相當短的時間，讓它難以在電器器件中得到有效利用。

創新

為了解決上述問題，近日荷蘭代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）與荷蘭科學研究組織 AMOLF 研究所合作，開發出一種在室溫下將自旋信息轉化為可預見的光信號的方法。

（圖片來源：TU Delft）

昨日，筆者為大家介紹了荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft ）教授 Vandersypen 領導的科學家團隊在矽量子晶片中，將電子自旋的量子信息可以傳送至光子的研究成果。今天介紹的研究成果與昨天介紹的研究成果似乎有一種異曲同工之妙，兩篇論文都發表於《科學》（Science）雜誌。

技術

這項研究圍繞著一種由兩種組件構成的納米結構，它們分別是：一種極細的銀線；一種稱為「二硫化鎢」二維材料。研究人員將銀線連接到只有四個原子厚度的二硫化鎢薄片上，使用圓偏振光，創造出具有特定旋轉方向的「激子」。自旋的方向可以使用雷射的旋轉方向來初始化。

在光躍遷過程中，被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由於庫侖相互作用，將形成一個束縛態，稱為激子。簡單說，激子實際上代表著脫離軌道的電子。通過這一技術，雷射光束保證了電子激發到帶正電的「空穴」周圍更廣闊的軌道上，這非常像氫原子。這樣創造出的激子想要返回它們的初始狀態。在它們回到更小的軌道的過程中，會以光的形式發射出能量包。這種光線含有自旋信息，但是它向所有的方向發射。

為了使得這種自旋信息可以投入使用，Delft 研究人員想到了他們之前更早的研究。他們已經演示了當光線沿著納米線移動時，在離線非常近的地方有一個旋轉的電磁場伴隨著它：它在線的一側沿著順時針方向自旋，在另一側則沿著逆時針方向自旋。當光線向著相反方向移動時，自旋的方向也會改變。所以，電磁場的局部旋轉方向與光線沿著納米線傳輸的方向一對一鎖定。Kuipers 表示：「我們使用這一現象作為一種鎖定結合。如果兩個旋轉方向相對應， 一個具有特殊旋轉方向的激子只能發射出沿著線傳輸的光線。」

所以，自旋信息與光線沿著納米線的傳播方向之間就創造起一種直接聯繫。它工作得幾乎完美：在90%的情況下，自旋信息沿著納米線的正確方向「發射」。

價值

這樣一來，脆弱的自旋信息能夠被小心翼翼地轉化為光信號，並向更遠的距離傳輸。由於這項技術可工作在室溫下，你可以簡便地製造出新的光電電路。

Kuipers 表示：「你無需電子流，所以也沒有熱量釋放出來。這將使得傳輸信息時的功耗非常低。」對於數據中心這樣高能耗的地方來說，這項研究有望開闢一條節能途徑。

另外，這項發現還有一個重要價值，就是它為自旋電子學與納米光子學的結合掃清了障礙。Kuipers 表示：「這種結合將帶來納米尺度的綠色信息處理方案。」

關鍵字

納米、電子、光子、自旋

參考資料

【1】https://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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