量子自旋鏈中的完美二極體

自旋是一種粒子固有的角動量，就好像它們自己在旋轉一樣。粒子間可以交換它們的自旋，並且以這種方式可以在材料中形成自旋電流。通過多年的研究，科學家們已經知道了如何以類似的方式控制這些自旋電流，以便它們可以控制電子的流動，這是一個被稱為自旋電子學的物理學領域。

研究量子系統中強相互作用效應特別具有挑戰性，然而眾所周知的是，量子粒子之間的強相互作用可以完全改變系統的性質，使系統具有如鐵磁性，超導性等。在自旋系統中的強相互作用也可以允許在材料中產生有趣的傳輸特性。

來自新加坡科技與設計大學（SUTD），伊蘇布利亞大學和德米納斯吉拉斯州大學的研究人員們展示了一種全新的基於強自旋 - 自旋間相互作用來控制自旋電流的方法，這種方法需要具有高整流特性的整流二極體對自旋電流進行整流。

在這項工作中（Physics Review Letters，「Perfect Diode in Quantum Spin Chains」），研究人員們通過分析和使用高級數值模擬表明，如果相互作用強度超過一定的量級，系統可以徹底改變並變成絕緣體，阻止電流的流動。

這是一個自旋鏈，其中左半部分（橙色箭頭）的自旋相互作用較強，右半部分（藍色箭頭）的自旋相互作用較弱。自旋電流從左到右（綠色箭頭線）是可行的，但在相反的方向（紅色箭頭線）截止。這個結果是一個非常大的修正。（圖片來源：新加坡科技與設計大學）

有趣的是，當試圖在一個方向施加電流時，這種絕緣行為的劇烈變化才會發生。當試圖以相反方向驅動自旋電流時，有電流，但是系統不是絕緣體。

這些預測一旦在接近絕對零度溫度的原子實驗中進行了測試，或者在表面上仔細沉積了少量原子的結構，就可以為材料科學的實質進步開闢道路，並且可以基於此原理構建新器件。

負責研究工作的SUTD的助理教授D. Poletti指出：「這是我們偶然發現的一個非常有趣的結果，在強相互作用的自旋電子系統中還沒有發現更多有趣的物理現象，這可能會導致新技術的誕生。」

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