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激光绘制电子“华尔兹” 创造电子产业新机遇

导读: 在半导体中,电子的运动就像在跳华尔兹,一边自旋一边按照自旋方向同步地旋转移动。

  在半导体中,电子的运动就像在跳华尔兹,一边自旋一边按照自旋方向同步地旋转移动。最近,一个来自IBM研究团队和瑞士联邦理工学院(ETH)的联合小组,首次直接绘制出电子怎样形成一个持续自旋螺旋的过程图,揭示了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情景。这一新进展有助于科学家更有效控制设备内部磁性运动,带来更加节能高效的电子设备。相关论文发表在《自然·物理学》杂志上。

  目前的计算机技术是利用电子所带电荷来编码和处理数据。随着半导体元件越来越小,到了无法控制电流的临界点,就开始显出局限性,而电子自旋能突破这种障碍。利用电子自旋来存储、传输并处理信息一直是计算机科学家的目标,但他们尚不清楚,电子自旋能否在开始旋转之前将编码信息保存足够长的时间。

  研究人员利用一种时间分辨扫描显微技术,监控了数千个电子自旋的演变,这些自旋是在一个很小区域内同时生成,属于随机旋转并会很快改变方向。IBM科学家利用超短激光脉冲控制,使得电子同步自旋的时间延长了30倍,达到1.1纳秒,相当于1GHz(千兆赫)处理器的一个周期。他们首次观察到电子旋转移动了超过10微米,整齐地排列成一种规则的、类似条纹的图案,这就是所谓的“持续自旋螺旋”,并绘出了电子自旋的同步“华尔兹”图像。

  实验用的半导体是ETH科学家制造的一种砷化镓(GaAs)材料,实验在零下233℃低温下进行,以确保电子自旋与环境之间的相互作用最小化。

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