新型量子系統：有助於設計更好的自旋電子器件！

導讀

近日，美國普渡大學的研究人員們為量子系統創造了一個新的試驗場。在這個試驗場中，他們可以打開和關閉特定的粒子相互作用，從而有望帶來自旋電子學方面的新進展。

背景

自旋輸運電子器件有望徹底改變我們對於電子器件的印象，特別是在計算領域。標準的電子器件採用電子的電荷來編碼信息，而自旋電子學器件卻依賴於電子的另一個內稟特性：自旋。自旋可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。

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（圖片來源：參考資料【2】）

自旋電子學器件有望比傳統的電子器件更快速、更可靠，因為自旋能被迅速地改變，並且這些器件的功耗更低（可以避免電荷帶來的發熱問題）。

基於 MAPbBr3 的自旋LED器件（圖片來源：參考資料【3】）

全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【4】）

然而，自旋電子學還很年輕，為了改善對自旋信息的控制，還有許多問題等待研究人員們解決。困擾這個領域的最複雜的問題之一，就是自旋粒子所攜帶的信息，也稱為「自旋流」，是如何隨著時間推移而衰減的。

普渡大學電氣與計算機工程系研究生 Chuan-Hsun Li 表示：「我們用這些信號來運行自旋電子器件並研究其工作，但是這些信號會衰減。就像我們打電話時需要良好的電話服務一樣，我們想要這個信號是強大的。當自旋流衰減時，我們會丟失信號。」

在現實世界中，電子並不是獨立於它們周圍的物體而存在，與我們期望中的不同。它們與其他粒子相互作用，而且它們自身的不同特性之間也會相互作用。粒子的自旋（內稟特性）與軌道動量（外在特性）之間的相互作用被稱為「自旋軌道耦合（spin-orbit coupling）」。

創新

近日，美國普渡大學的研究人員在一篇發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的新論文中稱，自旋軌道耦合以及與其他粒子之間的相互作用，會顯著地增強在一種稱為「玻色–愛因斯坦凝聚（BEC）」的量子流體中的自旋流衰減。

（圖片來源：普渡大學量子中心）

Li 表示：「人們想要操控自旋信息，可用它來編碼信息，而這麼做的一個方法就是採用物理機制，例如自旋軌道耦合。然而，這會帶來一些缺點，例如自旋信息的丟失。」

技術

這個實驗在普渡大學電氣與計算機工程系、物理與天文學系教授 Yong Chen 的實驗室中完成。在實驗室中，他的團隊為BEC創造出了類似微型粒子對撞機的東西。採用激光，真空室中的銣-87原子被捕獲並冷卻至接近絕對零度。（物理迷們也許會回想起，激光冷卻技術在1997年獲得了諾貝爾物理學獎，而激光捕捉獲得了2018年諾貝爾物理學獎。）

（圖片來源：參考資料【5】）

此時此刻，原子變成了BEC：物質最冷、最神秘的第五種狀態。

物質的五種狀態，最下面的是量子凝聚態（圖片來源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院）

隨著原子變冷，它們開始表現出如同波一樣的特性。在這種量子狀態中，它們迷失自我，相互交疊，表現得不再像個體。儘管從技術上來說BEC並不是一種氣體，但是氣體卻可能是最簡單的描述方法。物理學家們偶然地稱之為量子流體或者量子氣體。

玻色-愛因斯坦凝聚態（圖片來源：阿爾託大學）

在微型量子流體對撞機內部，Chen 的團隊讓兩個相反自旋的BEC相互猛烈碰撞。就像兩片氣體雲一樣，他們部分地相互滲透，釋放出自旋流。

Chen 表示：「當你讓兩個凝聚對撞時，許多神奇的現象產生了。起初，它們是超流體，但是當它們對撞時，一部分的摩檫力將它們變成熱氣體。因為我們可以控制每一個參數，所以它是研究這些對撞類型的一個真正高效的系統。」

價值

採用這種系統，研究人員們可以打開和關閉自旋軌道耦合，從而隔離自旋軌道耦合對自旋流的影響。這種效果無法通過固體材料中的電子實現，這恰好體現了這種系統的強大之處。

所謂的量子氣體是人類可以創造出的最潔凈的系統。其中沒有混亂，從而有望創造出純凈的自旋流，並研究其特性。Chen 希望繼續使用這種試驗場以及他們的玻色子自旋流，進一步探索自旋輸運和量子動力學方面的許多根本性問題。

他說：「自旋電子以及其他相關的量子技術中的一個重要挑戰，就是減少我們更長距離、更長時間傳播自旋信息時衰減。關於自旋軌道耦合的新知識，將幫助人們獲得減少衰減的新見解，並有望設計出更好的自旋器件。」

關鍵字

自旋電子、物理、量子

參考資料

【1】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q1/new-quantum-system-could-help-design-better-spintronics.html

【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【3】Jingying Wang, Chuang Zhang, Haoliang Liu, Ryan McLaughlin, Yaxin Zhai, Shai R. Vardeny, Xiaojie Liu, Stephen McGill, Dmitry Semenov, Hangwen Guo, Ryuichi Tsuchikawa, Vikram V. Deshpande, Dali Sun, Z. Valy Vardeny. Spin-optoelectronic devices based on hybrid organic-inorganic trihalide perovskites. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-07952-x

【4】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

【5】Chuan-Hsun Li, Chunlei Qu, Robert J. Niffenegger, Su-Ju Wang, Mingyuan He, David B. Blasing, Abraham J. Olson, Chris H. Greene, Yuli Lyanda-Geller, Qi Zhou, Chuanwei Zhang, Yong P. Chen. Spin current generation and relaxation in a quenched spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-08119-4

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