据外媒报道，未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来，能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前， 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件，在这种组件中，电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。
众所周知，电子具有负电荷，而且它们还有另一个特性，即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说，我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转，就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处，比如比传统的电子产品速度更快，能耗更低。
近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的，这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而，使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势，就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。
"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上，反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说："它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说："光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。
由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作，自旋电子学发展中的一个严重问题是，当温度升高时，电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此，在室温和较高的温度下，我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态，并保持这种状态，换句话说，它们是自旋极化的，这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下，电子自旋极化最高只有60%左右，无法实现大规模的实际应用。
目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下，自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述，它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。
当自旋偏振的电子撞击在量子点上时，它就会发射光--更准确地说，它发射的是单光子，其状态（角动量）由电子自旋决定。因此，量子点被认为具有巨大的潜力，可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口，这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中，科学家们表明，可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋，而且是在室温下。
量子点由砷化铟制成，一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中，研究人员认为，这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。
“我们非常高兴的是，我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识，正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止，我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功，最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在，我们期待着继续这项工作，将光子学和自旋电子学结合起来，利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术，”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。
什么是自旋电子学？
自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。
电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生，就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中，电子电荷被用来代表0和1，并以此来承载信息。相应的，在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。
在量子物理学的世界里，一个电子可以同时拥有两个方向的自旋（从而处于1和0的混合状态）。当然，这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的，也是量子计算的关键。因此，自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。
光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光，反之亦然。光，光子就可以通过光纤，非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性，或者说得更准确一些，它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转，大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。
半磁半导体semim眼netie semieonduetor一类 新型半导体材料。又称稀磁半导体。通常为A卜二M，B 型合金，由组分为普通半导体化合物AB和组分为磁 性半导体MB组成，其中组分为x的磁性离子M无规 则地占据A的子格点。由于这类材料中存在顺磁离子， 具有彼强的局域自旋磁矩，与局域顺磁离子相联系的 3d“电子和类s(导带)、类P(价带)能带电子之间的自 旋与自旋相互作用结果，产生一种新的交换作用，称为 sP一d交换作用，使半磁半导体具有与普通半导体截然 不同的性质。自1978年国际上首次报道以来的近15年 中，这方面工作已有很大的进展。 结构与组分典型的半磁半导体材料体系是A扩一二 Mnx砂型合金，其中M扩离子无规地取代化合物A，理 中部分11族的子格点。如宽能隙的Cd卜二Mn二Te(S， Se)、Znl一xMnxTe(S，Se)和窄能隙的Hg一，Mn二Te (S，Se)等。稳定单相的Cd卜xMnxTe具有闪锌矿结 构，组分x值可高达0.77Cdl一xMnxS为纤锌矿结构， 组分x上限为0.45Znl一xMnxse则在x(0.30为闪锌 矿结构，而在0.30四面体结合键，M扩离子贡献45“价电子 给结合键而形成半满3d5壳层，具有很强的自旋磁矩 (s=5/2)。过渡金属M扩离子在H一VI族半磁半导体 中最易溶混，如Znl_二MnxTe的x值可高达0 .86，超 过此上限将出现多相结构。过渡金属铁的溶混性就比锰 的约小一个量级，其他过渡金属元素的则更小。A{与 Mnx砂半磁半导体晶体结构和形成单相晶体的组分范 围见表。 A二*Mnx砂半磁半导体晶体结构 材料 组分范围 Zni_xMnxS Zn一_xMnxse Zn一_xMlixTe Cd一_xMn二S Cdl_、Mnxse Cd卜xMnxTe Hgl、MnxS Hgi一xMnxse HglxMnxse 晶体结构 闪锌矿 纤锌矿 闪锌矿 纤锌矿 闪锌矿 纤锌矿 纤锌矿 闪锌矿 闪锌矿 闪锌矿 闪锌矿 0无序磁性体系。当 M扩离子组分增加时，必须考虑M扩离子之间的相互 作用，它们除形成束缚M扩团簇的离子对、三离子等 外，还会形成更大的团簇。M扩离子间强的反铁磁作 用会使有效磁离子浓度减小而趋于饱和。绝大多数一普通 半导体化合物是杭磁性材料，由于M扩的组分可以在 很宽范围内变化，在半磁半导体材料中可观察到从顺磁 态进入自旋玻璃态到反铁磁态的相变。 半磁半导体材料通常具有普通半导体材料的基本物 理性质。 半磁半导体中晶格常数a服从费伽定律。例如， Cdl一xMnxTe的晶格常数为 a二(1一x)aH一vI十文在Mn_巩 式中al卜”、aMn一砚分别为CdTe、MnTe的晶格常数。 精确测定晶格常数a，可决定其组分x值。A卜二Mn二理 合金是直接带隙材料，其能隙随M扩离子组分而线性 变化。有一些材料(如Cdl一xMnxS、Znl一xMnxse)在x 值小时，由于交换作用影响会偏离线性关系。 性质半磁半导体中sP一d交换作用，使载流子行 为强烈地受温度和磁场的影响，从而产生一系列与普通 半导体完全不同的物理现象。主要有: ①磁场下的有效g因子增强。考虑交换作用贡献 后，通常引入自旋在磁场方向的热平均<52>正比于宏 观体磁化强度M的平均场理论来描述改变了的载流子 行为。有效g因子通过磁化强度M反映其与温度、组 分和磁场的依赖关系。增强磁场和降低温度均能使交换 作用贡献增强。窄能隙Hgl一二MnxTe在低温下甚至发 生价带、导带朗道子能级的重叠并使朗道子能级次序发 生变化。对Cdl一二Mn二Se:x二O时有效g因子g才= 0.5，而x=0.1时，g*=170。有效g因子增强了两个 量级。 ②反常大的磁光效应。磁离子对外磁场有很大的响 应，如同外磁场的“放大器”，其振幅比普通半导体中磁 光效应强102一103倍。最为突出的是宽能隙Cd卜xMn二 Te(S，Se)在外磁场下的激子带发生巨大的塞曼分裂， 从而导致带间范围显示很强的激子巨法拉第效应，较 CdTe的法拉第旋转角大103倍。同时测量法拉第效应、 磁反射谱和磁化强度，可精确地确定不同材料中表征交 换作用贡献的交换积分常数。在n一Cdoo5Mnoo5Se中 发现反常大的自旋反转拉曼散射斯托克斯位移，较 Cdse的大两个数量级。同时还观察到与束缚磁极化子 的形成有关的零场下斯托克斯移位。此外在A卜二Mn、 砂系列Pbl_xMnxTe中还观察到与自由磁极化子形成 有关的零场下自旋分裂。 ③SdH量子振荡的振幅与温度非单调反常依赖关 系。n一Hg卜xMn，Te(Se)的振荡的振幅中包含与有效 g因子有关的余弦因子，有效g因子随温度而变化。与 标准的量子振荡(保持恒定温度，改变磁场)相反，如保 持恒定磁场而改变温度，则可观测到一类新型的量子振 荡-一磁热振荡。 ④巨负阻效应。普通半导体的电阻和受主束缚能随 磁场的增强而增大，表现为正磁阻。而p一Hgl一xMnxTe 由于sp一d交换作用，使受主束缚能随磁场增强而减 小，观测到高达6个数量级的巨大负磁阻，且表现各向 异性。此外，低温下霍耳效应也表现反常行为。 现状与发展半磁半导体具有很宽谱的能隙，随组 分的改变，能隙连续可从零变化至ZeV以上。近年来 发展的四元晶体(如Hg卜，一，CdxMnyTe)具有相互 独立的能隙和交换作用，从而增加了它在各类光电器件 中应用的可能性。Cd，_xMnxTe材料的巨法拉第旋转 和低吸收系数，已应用于非倒易光器件。目前国际上在 对含M扩离子半磁半导体深入研究的同时，还对含 F扩和含C扩离子的Alll_二Fe、(CO)二Bvl体系、四元化 合物Hg卜x一，CdxMn，Te、Pb:一二一，SnxMn，Se等，以 及含稀土离子Eu、Gd等的三元化合物体系展开了研 究。最重要的发展之一是用分子束外延成功地生长了高 质量的A{]x Mnx砂量子阱超晶格和异质结结构，从而 开拓了半磁半导体中能隙工程的研究领域。最近用分子 束外延还成功地生长了111一V族In，_二Mn二As薄层材 料。 半磁半导体是研究顺磁一自旋玻璃一反铁磁态的好材 料，同时也是研究固体的无序体系及形成团簇玻璃态和 混磁态等特有性质的很好对象。实验上对其磁性研究主 要通过磁化率、磁化强度、比热、电子顺磁共振、中子 衍射等测量方法。磁光的法拉第效应、拉曼光散射及磁 反射谱等也是研究其磁性的重要手段。 (陈辰嘉) 一丁石且 力氏丘』 产尸且 区丈区丈欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
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