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Asurahyde

電子學的新希望----自旋電子學(spintronics)

自旋電子學(spintronics)將電子的自旋視為一個可控制的變量，可用在資訊的傳送和處理上。現在，我們只需控制電壓，就能持續調整半導體上電子自旋磁矩的方向。




我們知道，電腦硬碟中的資料，是靠電子的自旋方向來儲存記錄，但電子的自旋方向都是由磁場來控制的。現在，物理學家發現一個新的現象，就是在半導體上，電場也能控制電子的自旋方向。在這一期的Nature中，Gian Salis和他的研究同仁告訴我們，我們只需控制電壓，就能持續調整半導體上電子自旋磁矩的方向。



他們的新裝置與過去磁場所使用的方式並不相同。這套新的科學儀器稱為「自旋閘門」（spin gate；暫譯），它能夠輕易地分授一整列的自旋值。



在自旋電子學的電路上，我們可以經由電波波包(wave packet)來操控電子，使每個波包內的電子都處於一致的自旋狀態。舉例來說，自旋閥的功用就像濾波器，它只讓特定自旋方向的波包通過。一如傳統電子電路學用電壓脈衝來進行編碼；電子自旋也提供了一個變量，可以為傳遞的訊息進行編碼。



要區分不同的自旋狀態並加以控制，就必須修改電子的自旋磁矩。這與電子的迴轉磁率(g-factor)有關，其磁矩的級數是由自旋角動量所引起。迴轉磁率決定了磁場中自旋狀態的能量分裂的程度。



半導體中電子的迴轉磁率與其材料有關。若將之限制在量子的位能井之中，因為電子的波函數會穿透障蔽，迴轉磁率就會同時與井和障壁材料的特性有關。穿透的範圍可以由電場來控制，因此也能讓迴轉磁率作小幅的調整。



Salis和他的同伴就是利用這樣的原理，在不同的組成材料中，將電子的波函數移轉到半導體結構的領域。Salis是加州大學聖塔芭芭拉分校David Awschalom的博士後研究生，他們將電子限制在一個半導體儀器上，而半導體是由砷化鎵(gallium arsenide)和砷化鎵鋁(aluminum gallium arsenide)的薄膜鍍製而成。他們小心翼翼地控制鋁原子的電子傳送，不同於一般箱型障壁的形狀，他們企圖設計出一個形狀如同山谷斜坡的能量障壁來限制波函數，但該障壁並非陡峭的形狀，而是呈拋物線的。我們可以藉著逐漸改變異質結構(heterostructure)的薄膜中，鋁在砷化鎵鋁之中的含量，來了解波函數受限制的情況。



當研究人員一開始施加電壓，這山谷的斜坡會像蹺蹺板一樣地傾斜。一旦電子穿過位能井，從這端的材料到達另一端，量子力學的效應會依據電場的正負值來改變電子的自旋方向。



這個「柔軟」的限制所代表的意義是，儘管波函數的形狀不變，它還是可跨過半導體，經由電場而持續被替換。迴轉磁率的變動受鋁含量的影響很大：純的砷化鎵中，迴轉磁率的值為0.44，但在Al0.3Ga0.7As中卻為0.40。因此，我們可以藉著調整薄膜的組成成分，將迴轉磁率的值調整到0，讓電子自旋進動(spin precession)完全停息。



研究人員是在異質結構之中示範對電子迴轉磁率的控制，他以極化雷射光的克爾旋轉(Kerr rotation)，來測量自旋進動。他們觀察到一個受電壓影響的迴轉磁率，在40K的溫度下，其值波動的範圍在-0.11到+0.05之間。



這個調整電子迴轉磁率的技術，可以為量子資訊的開發做出貢獻，而且為基本量子電子狀態中新穎的重要現象──如強磁量子霍爾狀態──提供了更深入的理解。



「要在奈米的尺度下操縱電子的自旋方向，這是個可行的好方法。」Awschalom說，「大部分量子資訊的處理系統，會有以電流來調整電子自旋的需求。」



或許有一天，他們的研究成果能夠幫助科學家進一步瞭解量子自旋電子學的概念，因為在計算的應用上，電子的自旋會比電荷更為重要。但Awschalom也指出，下一步是十分艱難的一步。我們必須在位能井之中找到一個方式，將眾多電子控制在同樣的自旋態之中。而要達成這個目標，還需要許多更新的物理理論來協助。

[轉載--牛頓雜誌]

[ Last edited by Asurahyde on 16-9-2004 at 03:28 PM ]