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科学家首次绘制出电子的华尔兹轨迹

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来源: 作者: 2019-05-17 03:15:30

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在半导体中,电子的运动就像在跳华尔兹,一边自旋一边依照自旋方向同步地旋转移动。据物理学家组织8月13日(北京时间)报导,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构成一个持续自旋螺旋的过程图,揭露了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情形。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。随着半导体元件愈来愈小,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腾讯真的是杀死国产游戏创新的“凶手”吗?
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化,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”图象。

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,“假定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,我们相对移动方向的改变,锁定旋转速度不变,结果就像一个完善设计的舞蹈动作: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、操作和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。(常丽君)

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