新装置，烟囱状纳米柱！未来信息技术的基石

由林雪平大学和瑞典皇家理工学院的研究人员制作的烟囱状纳米尺度柱子（纳米柱）的显微镜图像

林雪平大学和瑞典皇家理工学院的研究人员提出了一种新装置的概念，这种装置可以有效地将电子自旋携带的信息在室温下传递给光——这是未来信息技术的基石。他们在《自然通讯》“ Nature Communications”上发表了一篇文章介绍相关研究。

光和电子电荷是信息处理和传递的主要介质。为了寻找更快速、更小型、更节能的信息技术，世界各地的科学家正在探索电子的另一个特性——电子自旋。研究电子的自旋和电荷的电子学被称为“自旋电子学”。

像地球一样，电子围绕自己的轴顺时针或逆时针旋转。旋向上指的是自旋向上和自旋向下两种状态。在自旋电子学中，这两种状态分别与二进制位对应，从而携带信息。由这些自旋状态编码的信息可以通过发光器件转换成光，然后通过光纤将这些信息长距离传输。量子信息的传递使研究利用电子自旋和光以及它们之间相互作用成为可能，这种技术被称为“光自旋电子学”。

光自旋电子学中的信息传递以电子的自旋状态决定所发射光的性质为原则。具体来说，它是手性光，在这种光中，电场在光的传播方向上是按顺时针或逆时针旋转的。而电场的旋转是由电子自旋的方向决定的。但是还有一个问题。

林雪平大学IFM理化与生物学系的Weimin Chen说道：“主要问题是，当温度上升时，电子很容易失去它们的自旋方向。未来自旋光应用的一个关键因素是在室温下高效的量子信息传递，但在室温下，电子自旋方向几乎是随机的。这意味着电子自旋编码的信息可能会丢失或太模糊，以至于无法可靠地转换为独特的手性光。”


现在，林雪平大学和皇家理工学院的研究人员已经设计出了一个高效的自旋光界面。

Weimin Chen说：“这个界面不仅可以在室温下保持甚至增强电子自旋信号，而且还能将这些自旋信号转换为相应的沿期望方向运动的手性光信号。”

该装置的关键元件是氮砷化镓的极小的圆盘。这些圆盘只有几个纳米尺度高，相互堆叠在一起，中间有一层薄薄的砷化镓(GaAs)，形成烟囱状的纳米柱。相比之下，人类头发的直径大约是这种纳米柱直径的一千倍。

该装置能够增强自旋信号，这是由于研究人员在材料中引入了最小的缺陷。不到百万分之一的镓原子会从其在材料中指定的晶格位置被置换。材料中由此产生的缺陷就像高效的自旋过滤器一样，能够从不需要的自旋方向排出电子，并保留那些具有所需自旋方向的电子。

这篇文章的第一作者Shula Chen说:“我们设计的纳米柱的一个重要优点是，光可以很容易地被引导，而且可以更有效地内外耦合。”

研究人员希望他们提出的装置可以启发自旋光接口的新设计，从而促进未来光电应用的发展。


原文题目：Nanoscale pillars as a building block for future information technology，原文来自：phys，由材料科技在线团队编译。