傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品處理電學信號依賴于對電荷的控制。最近，研究人員一直在探索自旋電子這一新技術(shù)的潛力，主要原理是檢測和控制粒子的自旋。這項技術(shù)可能會帶來新型更高效、更強大的器件。
近期在應用物理快報（Applied Physics Letters）上發(fā)表的一篇論文中，研究人員測量發(fā)現(xiàn)，電荷載體自旋與金剛石中的磁場具有很強的相互作用。這一重要特性表明，金剛石是一種非常有前景的自旋電子器件材料。
圖 在氫等離子體中進行表面終止處理的金剛石板
金剛石空穴導電
澳大利亞拉籌伯大學的物理學家Golrokh Akhgar說，與典型的半導體材料相比，金剛石更容易處理和制成自旋電子器件。常規(guī)量子器件主要基于多個半導體薄層，需要早超高真空中進行精細工藝的制造。
Akhgar說：“金剛石是非常好的絕緣體。但是，當暴露于氫等離子體時，金剛石將氫原子結(jié)合到其表面中。當氫化金剛石與潮濕的空氣接觸時，表面會形成一層薄薄的水，使其變得具有導電性，從金剛石中吸引電子。金剛石表面缺失的電子表現(xiàn)為帶正電荷的粒子，稱為空穴，使表面導電。”
金剛石自旋效應
研究人員發(fā)現(xiàn)，這些空穴有許多自旋電子學的性質(zhì)。最重要的性質(zhì)是稱為自旋軌道耦合的相對論效應，其中電荷載體的自旋與其軌道運動相互作用。強耦合使研究人員能夠用電場來控制粒子的自旋。
在以前的研究中，研究人員測量了空穴的自旋軌道耦合在磁場中可達到的強度。研究還表明，外部電場可以調(diào)整耦合的強度。
在最近的實驗中，研究人員測量了空穴的自旋與磁場的相互作用。對于這種測量，研究人員在低于4開爾文的溫度下應用了與金剛石表面平行的不同強度的恒定磁場。他們還同時應用穩(wěn)定變化的垂直場。通過監(jiān)測金剛石的電阻變化情況確定了g因子。這個數(shù)值可以幫助研究人員控制未來用于磁場環(huán)境的器件的自旋。
應用潛力
Akhgar說：“載體自旋與電場和磁場的耦合強度是自旋電子學的核心，我們現(xiàn)在擁有兩個關(guān)鍵參數(shù)，用于通過電場或磁場控制金剛石導電表層的自旋。”
此外，金剛石是透明的，所以它可以用到可見光或紫外線光學器件中。含有氮原子的氮空穴金剛石與其晶體結(jié)構(gòu)中缺失的碳原子配對 - 顯示出量子位或量子位的前景，這是量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)。能夠操縱旋轉(zhuǎn)并將其用作量子比特可能會使其具有用于更多器件的潛力。
參考文獻
Golrokh Akhgar，Daniel L. Creedon，Laurens H.Willems van Beveren，Alastair Stacey，David I.Hoxley，Jeffrey C.Mcallum，Lothar Ley，Alex R.Hamilton，Christopher I.Pakes.G-factor and well width variations for the表面導電金剛石中的二維孔隙氣體。應用物理快報，2018; 112（4）：042102 DOI：10.1063 / 1.5010800
