新南威尔士大学的研究人员解开了纳米级晶体管工作方式的一个10年之谜。
你iPhone里一半的晶体管都是利用带正电的“空穴”，而不是带负电的电子来工作。
在大学里，我们教本科生空穴是准粒子，基本上是“缺失的电子”——有点像灵层中的气泡，或者抢椅子游戏中缺失的椅子。
但这并不是故事的全部:空穴也有与电子非常不同的“自旋”性质。(粒子的自旋是其固有角动量。)
这些独特的自旋特性使得它们对于超低功率自旋晶体管、高速量子比特和容错拓扑量子比特非常有吸引力。
问题是，直到最近，我们还没有很好地了解纳米级晶体管中孔的自旋特性。事实上，最好的理论预测的行为与实验中观察到的相反。
现在，由新南威尔士大学的亚历克斯·汉密尔顿和奥列格·苏什科夫领导的一个物理学家团队，通过在方程中发现一个以前被忽视的新术语，解决了这个谜团。
这调和了实验和理论，为未来的量子电子和量子计算设备铺平了道路。
他们做了什么
显示栅极电压如何应用于控制量子线上的电场的装置示意图
问题的关键在于，与正常的三维固体相比，一个洞在二维空间中的表现非常不同。
晶体管是用两种电子性质略有不同的半导体材料压在一起制成的。在这两种材料的界面上，存在一个有效的二维区域，在这个区域中，一层薄薄的电子或空穴可以被控制来执行必要的逻辑功能。
但是，虽然几十年来人们已经很好地理解了三维洞的行为，但它们对二维的限制引入了新的因素，这些因素导致了对施加磁场的不可预测的反应。也就是说，这种限制引入了一种新的“自旋-轨道相互作用”。
自旋-轨道相互作用(SOI)，是空穴在空间中的运动(例如在原子轨道上或沿着电流携带路径)及其自旋的耦合。这种自旋-轨道相互作用改变了空穴对磁场的响应方式，是拓扑材料功能的关键，FLEET研究了拓扑材料，因为它们有可能形成电流的超低电阻路径。雷竞技苹果版
这项新研究是第一次对一维孔洞的自旋轨道效应进行正确的分类。
解开十年之谜
2006年，新南威尔士大学的实验发现了一个与现有理论不符的结果:
实验人员正在观察外部磁场作用于一维电荷携带路径(称为量子线)的效果。
外加磁场将具有不同自旋的空穴的能级分开。实验表明，自旋分裂对磁场方向极其敏感，而电子对磁场方向不敏感。
此外，当外加磁场时，自旋分裂最大沿着量子线——这一结果与现有的理论完全相反。在过去的十年里，实验和理论之间的分歧仍然无法解释。
最近的研究发现了一个新的自旋-轨道相互作用因子，它是由空穴对一维的限制引起的，并发现这个新因子解释了2006年的实验结果。
这项新研究
这项新研究刚刚发表在物理评论快报它是美国物理学会的旗舰期刊。
这项研究由新南威尔士大学的理论和实验物理学家、英国剑桥大学和谢菲尔德大学的同事以及俄罗斯新西伯利亚大学的同事共同完成。
这项工作是由澳大利亚研究委员会发现计划，包括舰队的亚历克斯·汉密尔顿，奥列格·苏什科夫和迪马·米瑟列夫。
FLEET是一个由arc资助的新研究中心，旨在利用只有一个原子厚度的材料来解决日益增长的计算能量挑战。FLEET (ARC未来低能电子技术卓越中心)正在使用原子薄的二维(2D)材料作为新一代超低能电子产品的基础。FLEET将新南威尔士大学物理学院和新南威尔士大学材料科学与工程学院的研究人员与其他6所大学和13个其他澳大利亚和国际科学中心的同事联系起来。
亚历克斯·汉密尔顿带领舰队研究主题1，为未来的超低能量电子寻找拓扑无耗散系统。
2006年最初的研究
在这个动画中显示了在磁场作用下孔的排列
最初的研究也是在2006年由Hamilton教授领导也发表在《物理评论快报》上，发现外加磁场的方向决定了空穴电流中电导率的分裂。同样的效应不会发生在电子电流中。
这项研究也是第一次描述了磁场对沿量子线的小孔电流的影响。实验表明，当洞沿一维路径行进时，它们的自旋会与施加在特定方向的磁场对准。
这种反应将空穴与电子区分开来，电子对变化的反应并不相同——它们不关心施加电场的方式。
孔洞的这种独特性质使它们具有令人兴奋的应用潜力。自旋电子的技术。在自旋电子学中，粒子的磁自旋被用来执行逻辑功能，而不是像传统电子学中那样，只使用粒子的电荷。
一些有用的定义
粒子的自旋是一种固有角动量，并引起磁性。
二维材料FLEET研究了形成电流向下流动的超低电阻路径的潜力。最著名的“2D”材料是石墨烯，它是一层碳原子。FLEET研究其他二维材料的电子特性。在晶体管内的空穴中，二维区域不是由材料本身形成的，而是由带电粒子限制在材料之间的界面上形成的。两个半导体之间的电压将空穴限制在这个界面上。
量子线是连接两个空穴/电子储层的狭窄收缩，它们每个都局限于二维(即，它们存在于无限平坦的平面中)。因为通道实际上是一维的，所以带电粒子在通道中运动时会受到与路径垂直的量子限制。实际上，是“单行”旅行。这样，沟道的电导(即带电粒子沿沟道流动的难易程度)就被量化了。即，通道的电导在“阶跃”中增加。