研究人员利用光使自旋更高效更容易操纵

电子设备运行的基本特性是电子电荷帮助它们移动并产生电流。现在想象一下另一种特性——量子领域的特性——可以帮助电子表现得更加节能。自旋电子学利用电子的自旋，这是一种取决于其固有角动量的基本属性。

“人们很长一段时间以来都想把自旋作为信息位来讨论，因为自旋的量子力学特性并不需要像电流那样需要那么多的能量来开启或维持。但这比看起来更难”，罗兰研究所研究小组组长萨沙·费尔德曼(SaschaFeldmann)说。“你通常必须施加强磁场才能与自旋所具有的微小磁矩进行对话。”

电子可以有两种自旋状态——向上或向下——这些可用于存储和处理信息。但操纵它们可能很棘手，需要在极低的温度下对非常完美有序的材料使用磁场才能发挥作用。

费尔德曼和他在剑桥大学的研究团队能够在没有这些因素的情况下生成电子自旋域。他们只是在室温下将圆偏振光照射在卤化物钙钛矿薄膜上，这是一种非常容易制造但高度无序的半导体材料。你瞧，在几皮秒(万亿分之一秒)内，电子形成了不同的自旋态并形成了局部自旋域。研究结果发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中。

“利用光，我们现在可以光学地解决自旋问题，到目前为止，人们只能通过磁测量来了解这一点，”该论文的通讯作者费尔德曼说。“仅通过光的偏振，我们就能够非侵入性地与电子自旋对话。”

为了研究这一点，研究人员根据光的螺旋旋向编码的信息开发了一种特殊的显微镜技术。左旋或右旋圆偏振光被用来产生自旋向上或自旋向下状态，利用这些信息，他们能够详细地看到材料的自旋。

在每个领域的这种规模下，自旋的存活时间比预期的要长得多。因为他们使用显微镜，所以他们也能够看到自旋输运。“就像电荷如何在电线中流动一样，我们可以看到自旋如何移动，”费尔德曼说。

研究人员观察到一种称为自旋动量锁定的现象。这意味着，对于电子来说，自旋态决定了其运动方向。不仅能够观察，而且能够操纵自旋的运动，为巧妙设计具有光学操纵电子自旋的材料提供了可能性。

一旦材料被磁化，即使是光学磁化，它也会保持这种状态，不需要外部电源来维持其状态。这使得自旋电子学非常有用，常见的用途是在计算机存储系统中更稳定、更高效地存储数据。它还可用于量子计算，因为自旋的量子特性开辟了轻松执行某些计算任务的新方法，而传统计算机需要数千年才能完成这些任务。

“半导体是与光相互作用的，而铁磁体是具有磁性的，并且可以进行自旋。在这里，我们找到了结合了两个世界最好的东西。这是令人惊奇的，因为它将自旋电子学人们带到了一个可以光学控制磁性，并通过使用自旋，它为传统光学半导体器件增加了另一个自由度，”费尔德曼说。“这非常令人兴奋，光子学、电子学和自旋电子学的接口可能全部都在一种材料中。”

Feldmann一直在使用用途极其广泛的卤化物钙钛矿材料作为太阳能光伏或LED应用的半导体，作为可持续能源生产的一种手段。罗兰研究员对这种杂乱的材料在与光相互作用时表现得如此美丽感到惊讶，并希望进一步研究这一点。

“材料的简单性和制作这些薄膜的同时仍然能够看到自旋输运物理学对我们来说绝对是太棒了。”

费尔德曼补充道：“领导这项工作的博士生阿琼·阿育王(ArjunAshoka)在完成这项具有挑战性的实验方面确实做得非常出色。”

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