使電子自旋方向守恆的方法

2020-12-05 科學網

 

正如真空中運動的一個物體趨於運動一樣，一個自旋電子的軸也趨於保持在固定方向上。這兩種現象都符合從真空均勻性最終推導出的守恆定律。相比之下，在一種半導體中運動的一個電子會看到一個由帶電原子組成的晶格，這些原子以接近光速1%的速度飛過該電子，使其自旋方向發生很大波動。現在，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Koralek等人發現，向一種半導體施加一個外部電場，可精確平衡這種帶電晶格的自旋趨穩定效應。隨後，整個電子氣的集體自旋（而不是每一單個粒子的自旋）會成為一個新的守恆量——一種非常適合「自旋電子學」應用的性質。（來源：科學時報 田天）

 

（《自然》（

Nature

），doi:10.1038/nature07871，J. D. Koralek，C. P. Weber）

 

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《自然》發表論文摘要

 

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    巨磁阻效應（GMR）的發現及應用讓電子工程師們認識了自旋，使他們恍然大悟：原來自旋是如此的有用啊！事實上，儘管電子學的發展和應用已有一百多年的歷史，但電路和電子器件中所利用和研究的基本上只是電流，也就是電荷的流動，與自旋完全無關。幾十年來，電子學固然功勞巨大，但人類的追求永遠沒有止境，手機的體積小了還想再小，計算速度快了還要更快。
  • 科學家開出一種方法：可延長電子自旋的壽命，還能保存量子信息
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  • 電子的自旋,你知道多少?
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    量子力學和（狹義）相對論是不分家的，它們之間有著千絲萬縷的聯繫，這一點可從電子自旋的相對論性窺見一斑。根據我們一直堅信的經典力學和量子力學的信條，一個物理量同哈密頓量之間的量子對易式（經典力學語境下是泊松括號）為零，則該物理量為守恆量。現在考察一個自由電子的角動量算符 （這就是經典的角動量定義）。可計算其任一分量同哈密頓量之間的對易式， ；可見 ，也即自由電子的角動量不守恆。
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    日本東京大學的研究人員使用超微技術，在世界上首次成功利用電子自旋發電。這項技術有望應用於磁傳感器或用來為超小型電子器械製造電源。
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    來源: pixabay / cc0 Public Domain電子在很大程度上受磁場的支配，科學家可以操縱磁場來控制電子及其角動量，即它們的「自旋」。2013年，由工程學院應用與工程物理助理教授格雷格•福斯（Greg Fuchs）領導的康奈爾大學團隊發明了一種新的方法，利用機械諧振器產生的聲波來實現這種控制。這種方法使研究小組能夠控制電子自旋躍遷（也稱為自旋共振），這在其他情況下是不可能通過傳統的磁性行為實現的。