ARC未来低能电子技术卓越中心

右上GaAs孔量子阱用于研究。左下:设备倾斜的角度，以应用磁场。

控制洞的自旋为未来的量子自旋设备，拓扑材料雷竞技苹果版

半导体中电子(和空穴)的“自旋”在自旋电子学、基于自旋的量子计算和拓扑系统中有潜在的应用。

一个粒子的自旋是它的固有角动量。

在磁场中，电子或空穴的自旋要么与磁场方向平行(“自旋向上”)，要么与磁场方向反平行(“自旋向下”)——就像指南针一样。

这些平行方向和反平行方向具有不同的能量，正是这种能量差(称为能量差)塞曼分裂如果是由磁场引起的)，这是基于自旋的信息处理的关键。

在本周发表的一篇论文中，新南威尔士大学的FLEET研究人员展示了一种全新的机制，可以在量子阱中通过电子控制洞的自旋。

孔是准粒子，基本上是“缺少电子”——有点像精神层面的气泡，音乐椅子游戏中缺少的椅子，或者防守后防线中缺少的球员。

听起来有点深奥?你笔记本电脑或iPhone中一半的晶体管实际上是利用带正电荷的“空穴”的运动来转换的，而不是带负电荷的电子。

那么自旋在谜题中处于什么位置呢?要回答这个问题，我们需要放大原子的图景。

在原子中，旋轨道相互作用电子偶(或空穴)绕原子核旋转。

由于这种耦合，运动中的电子(或空穴)将原子核的电场“感知”为有效磁场，从而导致电子(或空穴)具有两个相反的自旋方向，具有能量差——这与塞曼分裂类似。

但这并不是故事的全部:空穴的自旋性质与电子非常不同。

电子是自旋1/2的粒子，而半导体中的空穴是自旋3/2的准粒子。

这种自旋差异意味着洞对电场或磁场的反应非常不同。

空穴中的自旋-轨道相互作用比电子中的强得多，这意味着两个相反自旋方向之间的能量差要比电子中的大得多，对电场的影响也要敏感得多。

因此，空穴可以实现全电自旋操作，这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前途。

在研究中，研究人员在量子阱中展示了一种全新的电子控制空穴自旋的机制，利用了空穴不寻常的自旋3/2的性质。

由于强烈的自旋-轨道相互作用，研究人员表明，仅使用电场来增加空穴的动量，塞曼分裂可以增强300%。

通过电场的塞曼分裂的极端可调性为未来基于自旋的量子器件，如自旋晶体管、自旋轨道量子位和量子逻辑门，开辟了新的可能性。它还将有助于在p型超导体系统中实现马约拉纳系统，允许在外部磁场下将系统驱动到拓扑状态，而不抑制支持马约拉纳激励所需的超导性。

研究人员还开发了一种从二维孔的磁阻振荡中提取g因子(量化塞曼分裂)的新方法，改进了对于具有强自旋-轨道相互作用的二维系统无效的传统方法。

最后，控制自旋-轨道相互作用的能力也是开发新拓扑材料的关键，FLEET目前正在研究这种材料，因为它们有可能为电流提供超低电阻通道。雷竞技苹果版

首席作者Elizabeth Marcellina博士

这项工作的部分资金是由澳大利亚研究理事会这是新南威尔士大学和英国剑桥大学卡文迪什实验室合作的成果。

新型二维材料中的自旋轨道相互作用及其在拓扑绝缘体中的作用在FLEET进行了研究，FLEET是澳大利亚研究委员会资助的中心。

ARC未来低能耗电子技术卓越中心(FLEET)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。

研究的合著者Alex Hamilton教授领导舰队的研究雷竞技苹果版该公司旨在生产一种超低能量拓扑晶体管。

这种工作背后的动力是计算所消耗的能量日益增加美国耗电量占全球的5-8%，而且每十年就翻一番。

给洞的故事一个新的旋转