作者:G. Salis 来源:《自然—物理学》 发布时间:2012-8-14 14:00:29
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科学家首次绘制出电子“华尔兹”轨迹

 
在半导体中,电子的运动就像在跳华尔兹,一边自旋一边按照自旋方向同步地旋转移动。据物理学家组织网8月13日(北京时间)报道,最近,一个来自IBM研究团队和瑞士联邦理工学院(ETH)的联合小组,首次直接绘制出电子怎样形成一个持续自旋螺旋的过程图,揭示了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情景。这一新进展有助于科学家更有效控制设备内部磁性运动,带来更加节能高效的电子设备。相关论文发表在《自然—物理学》杂志上。
 
目前的计算机技术是利用电子所带电荷来编码和处理数据。随着半导体元件越来越小,到了无法控制电流的临界点,就开始显出局限性,而电子自旋能突破这种障碍。利用电子自旋来存储、传输并处理信息一直是计算机科学家的目标,但他们尚不清楚,电子自旋能否在开始旋转之前将编码信息保存足够长的时间。
 
研究人员利用一种时间分辨扫描显微技术,监控了数千个电子自旋的演变,这些自旋是在一个很小区域内同时生成,属于随机旋转并会很快改变方向。IBM科学家利用超短激光脉冲控制,使得电子同步自旋的时间延长了30倍,达到1.1纳秒,相当于1GHz(千兆赫)处理器的一个周期。他们首次观察到电子旋转移动了超过10微米,整齐地排列成一种规则的、类似条纹的图案,这就是所谓的“持续自旋螺旋”,并绘出了电子自旋的同步“华尔兹”图像。
 
实验用的半导体是ETH科学家制造的一种砷化镓(GaAs)材料,实验在零下233℃低温下进行,以确保电子自旋与环境之间的相互作用最小化。
 
同步自旋运动的原因是一种物理机制,自旋轨道的相互作用将自旋和电子运动结合在一起。联合小组中纳米系统物理学小组的吉安·萨利斯解释说,“假设所有舞伴都以女方面向北开始,过一会儿她们就会朝向不同方向。现在,我们相对于移动方向的改变,锁定旋转速度不变,结果就像一个完美设计的舞蹈动作:在特定区域中所有女方的脸始都会向同一方向。对于开发基于自旋的晶体管而言,控制、操作以及观察电子自旋的能力非常重要。”
 
研究人员指出,自旋电子学从实验室到市场还面临很大挑战。电子自旋同步化让科学家能观察电子的旋转移动,大大提高了将电子自旋用于处理逻辑操作的可行性,有望带来更快更节能的计算机产品。(来源:科技日报 常丽君)
 
 
 
 
 
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