Транспорт электронных спинов на длинную дистанцию

Почти все электронные устройства работают на основе электронного заряда, управляемого электрическим полем. Помимо заряда, электрон имеет магнитный момент, или спин. Обработка информации на основе электронных спинов в полупроводниках является новаторской концепцией. Квантовые вычисления позволяют превысить скорость обычных вычислений, а спиновый транзистор снижает потребление энергии.

Тем не менее, спины электронов до сих пор не используется в реальных электронных устройствах, за исключением некоторых магнитных устройств для хранения информации. Причина заключается в том, что поляризация спинов в полупроводнике легко становится случайной, и, следовательно, трудно транспортировать упорядоченную спиновую поляризацию на большие расстояния.

Сам спин электрона является собственным квантовым угловым моментом. Электрический транспорт и манипулирование его направлением являются определяющими технологиями, если в устройстве должны быть использованы спины электронов.

Однако в реальных материалах, электронные спины устанавливаются в случайных направлениях из-за многократного рассеяния электронов, что приводит к деполяризации спина за конечное время. Это явление называется спиновой релаксацией, и это приводит к тому, что спиновую поляризацию можно транспортировать в устройстве только на короткие расстояния. Для того чтобы реализовать функциональные спиновые устройства, важно подавить спиновую релаксацию и добиться более стабильной манипуляции электронными спинами.

Исследовательская группа из Университета Тохоку продемонстрировала транспорт спина на длинные расстояния электрическими средствами в полупроводниковой квантовой яме, которая разработана для увеличения времени жизни спина. Кроме того, исследовательская группа показала, что скоростью прецессии спина дрейфующих электронов в полупроводниковых квантовых ямах можно управлять с помощью внешнего напряжения на затворе. Эти технологические достижения, сочетающие транспорт спина и прецессию спина, обеспечат более стабильный способ манипулирования спиновой поляризацией в полупроводниках и внесут вклад в реализацию спин-базированных логических устройств и вычислений.

Пространственное распределение спинов электронов в специально разработанной полупроводниковой квантовой яме. Пространственное распределение спинов электронов в полупроводниковой квантовой яме измеряется с помощью магнитооптического эффекта Керра. Как показано на рисунке, электронные спины были непосредственно транспортированы на расстояние более чем 100 мкм в квантовой яме с помощью электрического поля, расположенного в плоскости. Кроме того, в этой квантовой яме ученые обнаружили, что спины электронов распространяются с (без) прецессии спина в направлении х (у), что отражает ориентационную зависимость кристалла от эффективного магнитного поля