傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品依賴于對電荷的控制。最近，研究人員一直在探索一種被稱為自旋電子學(xué)的新技術(shù)，它依賴于探測和控制粒子的自旋。利用這項(xiàng)技術(shù)有望研制出更高效、更強(qiáng)大的新器件。

       近日，澳大利亞拉籌伯大學(xué)的研究人員測量了電荷載子自旋與金剛石磁場的相互作用強(qiáng)度。研究結(jié)論表明金剛石材料具備應(yīng)用于自旋電子器件的關(guān)鍵特性。金剛石之所以受到科學(xué)家的關(guān)注，是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)半導(dǎo)體材料更容易被加工和制造成自旋電子器件。傳統(tǒng)量子器件基于多半導(dǎo)體薄層結(jié)構(gòu)，這需要在超高真空狀態(tài)下完成十分精密的制造過程。

       研究背景和原理

       金剛石是一種良好的絕緣體材料，但當(dāng)暴露于氫等離子體環(huán)境中時，金剛石表面將會吸附氫原子并與其結(jié)合在一起。經(jīng)氫化處理的金剛石在潮濕空氣中會顯示出導(dǎo)體的性質(zhì)，這是因?yàn)樵诮饎偸砻鏁纬梢粚颖”〉乃?，將金剛石?nèi)部的電子抽出。失去電子的金剛石表面會形成帶正電荷的空穴，從而具有了導(dǎo)電性。

       經(jīng)氫等離子體處理的金剛石表面

       研究人員發(fā)現(xiàn)這些空穴具有許多符合自旋電子學(xué)的特征，其中最重要的是一種被稱為自旋軌道耦合的相對論效應(yīng)，即電荷載子的自旋角動量與軌道角動量間的相互作用。如果這種耦合作用比較強(qiáng)，研究人員就可以利用電場來控制電荷載子的自旋。在之前的工作中，研究人員已經(jīng)測量出操控金剛石表面空穴自旋所需的自旋-軌道耦合強(qiáng)度。他們還發(fā)現(xiàn)通過改變外部電場可以對耦合強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

       在近期的實(shí)驗(yàn)中，研究人員測量了金剛石表面空穴與磁場的相互作用強(qiáng)度。在測量實(shí)驗(yàn)中，研究人員在低于4開爾文的溫度下，施加了與金剛石表面平行的不同強(qiáng)度的恒定磁場，同時，在垂直方向上，還施加了一個穩(wěn)定變化的磁場，通過測量金剛石電阻的變化，確定了朗德因子（g-因子）。這一數(shù)值有助于研究人員在未來利用磁場控制器件的自旋。

       意義

       研究人員指出，電荷載子的自旋與電場和磁場的耦合強(qiáng)度是自旋電子學(xué)的核心所在。得到了體系自旋-軌道耦合強(qiáng)度和朗德因子等關(guān)鍵參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)金剛石導(dǎo)電表面自旋的電場或磁場調(diào)控。

       此外，金剛石是透明的，所以它還可以被集成到光學(xué)器件中，利用可見光或紫外光來進(jìn)行操控。氮空位中心是金剛石晶體中常見的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，由晶格中取代碳原子的一個氮原子和相鄰格點(diǎn)上的一個空位構(gòu)成（如上圖所示）。其獨(dú)特的能級結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)使我們可以用光磁共振的方法操控其電子的自旋狀態(tài)；該自旋態(tài)在室溫下就具有很長的相干時間；同時，周圍核自旋提供了豐富的超精細(xì)相互作用，可以組成多量子比特系統(tǒng)。這些性質(zhì)使得氮-空位中心在量子計(jì)算、高空間分辨率的弱磁探測和溫度探測等方面擁有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。