用於量子計算機和自旋電子學的可充電自旋電池

研究者近期利用拓撲絕緣體材料創造了一種可充電「自旋電池」，向新型自旋電子設備和量子計算機製造又邁進了一步。該研究已發表在4月14日的科學進展雜誌上，實驗由博士後副研究員Jifa Tian主導。

該顯微圖片為用於測量可充電「自旋電池」中的「持續自旋極化」的設備。
Credit: Purdue University image/Jifa Tian

不同於尋常材料要麼是絕緣體要麼是導體，拓撲絕緣體既是導體也是絕緣體，內部是絕緣體但表面是導電的。這種材料可被用於製造自旋電子設備和量子計算機。

電子可被認為具備兩種自旋態：向上或者向下，並且疊加態現象中電子可以同時處於兩種狀態。可利用量子力學定律結合該性質實現計算，製造在某些任務中比傳統計算機更快的計算機。

拓撲絕緣體表面的導電電子具有一種重要的性質：自旋-動量鎖定，即電子運動的方向決定了自旋方向。這種自旋就可被用於編碼或者攜帶信息，用上或下方向表示0或1，用在基於自旋的信息處理和計算，或者自旋電子設備中。

普渡大學物理和天文和電子和計算機工程教授、普渡量子中心主任Yong P. Chen說道：「由於自旋-動量鎖，如果將電流通過拓撲絕緣體材料，就可以讓電子的自旋排成一個方向，這是一個很有意思的效應。」

將該材料通以電流就能誘發電子「自旋極化」，可被用於自旋電子。通常，必須保持通電才能維持該極化。但是，在新研究中，普渡大學研究者首次誘發了長時存在的電子自旋極化，即使電流消失也持續了兩天。利用自旋電勢測定法和磁性電壓探針，能做成自旋敏感電壓計，檢測電子自旋極化。

Tian說道：「這種前所未有的電流控制自旋極化持續時間可用於製造可充電自旋電池，及可再寫自旋存儲設備，未來可能被用於自旋電子設備和量子信息系統中。」

「寫入電流」好比是計算機存儲中記錄零和一。

Chen說道：「不過，一個更好的類比是電池。寫入電流就像是充電電流，就像是給你的果機充電一到兩個小時，就能持續使用幾天(你家的果機這麼能用？)。這是類似的道理。我們利用寫入電流對這種自旋電池充電半個小時或者一個小時，然後這種自旋就會保持極化狀態長達兩天，就像是可充電電池。」

該圖示描述了假想的拓撲絕緣體中從電子到原子核的「自旋傳遞」。
Credit: Purdue University image/Jifa Tian

這一發現是一個驚喜。

他說道：「這完全出乎預料，也不是實驗的初衷。這是一個偶然的發現，多虧了Jifa的耐心和堅持，重複進行多次的測量，不斷改善自旋電池的充電以獲得可測的持續自旋極化信號。」

研究者尚不確定造成這一效應的原因。不過，一種解釋理論是自旋極化電子可能將其極化傳遞到了材料的原子核。這一假說由普渡大學的電子和計算機工程Thomas Duncan傑出教授Supriyo Datta提出。

Chen說道：「在一次會面中，Datta教授提出了一個關鍵建議，Jifa觀測到的持續自旋信號看起來像是電池。先前曾有一些原子核自旋驅動電池的與此類似的實驗，雖然這些實驗的條件更加嚴苛，比如強磁場。目前我們的觀測與原子核自旋產生的效應一致，雖然並沒有直接的證據。」

原子核自旋可被用於量子存儲和量子計算機。

Chen說道：「現在我們可以通過電氣方法實現，由於可以利用通電進行原子核自旋極化，因此可將其用於量子電路中。傳統上這很難實現。不過我們的基於拓撲絕緣體的自旋電池甚至可在零磁場和較低溫度下(幾十開爾文)工作，這很不尋常。」

曾經與Datta共事的前普渡大學博士生、現在英特爾公司的軟體工程師Seokmin Hong說道：「通常的充電電池輸出能驅動電流的電壓，而自旋電池輸出的是自旋電壓，或者更準確地說是上旋和下旋電子之間的化學勢差，可將其用於驅動非平衡自旋電流。」

研究者使用了硒碲鉍材料薄片，與碲化鉍同類。不同於摻雜了一定半導體的商用材料，在實驗中用的純度超高，幾乎沒有任何摻雜，因此傳導性主要由表面的極化自旋電子決定。研究科學家Ireneusz Miotkowski在Chen主管的普渡物理和天文系半導體晶體實驗室合成了這種材料。Tian在普渡發現角的比爾克納米技術中心製造了該設備。

未來的研究將包括通過直接探測原子核自旋鑒定這一效應的成因以及該自旋電池的可能實際應用。

[CliffBao via phys]

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