Strømførende huller begrænset til én dimension viser unikt spin

Halvdelen af ​​alle transistorerne i din iPhone bruger positivt ladede 'huller', snarere end negativt ladede elektroner til at fungere.

På universitetet, vi lærer studerende, at huller er kvasipartikler, dybest set 'manglende elektroner' – lidt ligesom boblen i et vaterpas, eller den manglende stol i et spil musikalske stole.

Men det er ikke hele historien:Huller har også meget andre 'spin' egenskaber end elektroner. (En partikels spin er dens iboende vinkelmomentum.)

Disse unikke spin-egenskaber af huller gør dem meget attraktive for ultra-lavt drevne spin-transistorer, højhastigheds kvantebit, og fejltolerante topologiske kvantebits.

Problemet er, at vi indtil for nylig ikke havde en god forståelse af spinegenskaberne af huller i nanoskala transistorer. Faktisk, de bedste teorier forudsagde den modsatte adfærd til den, der blev observeret i eksperimenter.

Nu, et hold fysikere ledet af UNSW's Alex Hamilton og Oleg Sushkov har løst mysteriet ved at identificere et nyt udtryk i ligningerne, som tidligere var blevet overset.

Dette forener eksperimenter og teori, og baner vejen for fremtidige kvanteelektronik og kvantecomputere.

Nøglen til problemet er, at et hul opfører sig meget anderledes, når det kun er begrænset til to dimensioner, sammenlignet med dens adfærd i en normal, tredimensionelt fast stof.

En transistor er fremstillet af to halvledermaterialer med lidt forskellige elektroniske egenskaber, presset sammen. I grænsefladen mellem de to materialer, der eksisterer en effektivt todimensionel zone, hvor et tyndt ark af elektroner eller huller kan styres til at udføre de nødvendige logiske funktioner.

Men mens opførselen af ​​huller i tre dimensioner har været velforstået i mange årtier, deres begrænsning til to dimensioner introducerer nye faktorer, der forårsager ellers uforudsigelige reaktioner på et påført magnetfelt. Nemlig denne indespærring introducerer en ny 'spin-orbit interaktion'.

Spin-orbit interaktion (SOI), er koblingen af ​​hullets bevægelse gennem rummet (for eksempel i kredsløb om et atom eller langs en strømførende bane) og dets spin. Denne spin-kredsløbsinteraktion ændrer, hvordan huller reagerer på et magnetfelt og er nøglen til funktionen af ​​topologiske materialer, som er undersøgt på FLEET for deres potentiale til at danne ultra-lav modstandsveje for elektrisk strøm.

Den nye undersøgelse er første gang, at disse nye spin-orbit-effekter for huller begrænset til én dimension er blevet korrekt klassificeret.

I 2006 UNSW-eksperimenter fandt et resultat, der ikke matchede eksisterende teori:

Eksperimentører så på virkningerne af et eksternt magnetfelt påført en endimensionel, ladningsbærende vej kendt som en kvantetråd.

Det påførte magnetfelt adskiller, eller splitter, energiniveauerne for huller med forskellige spins. Eksperimenter viste, at spin-opdelingen var ekstremt følsom over for retningen af ​​det magnetiske felt, i modsætning til elektroner, der er ufølsomme over for feltretningen.

Desuden, spin-spaltningen viste sig at være størst, når magnetfeltet blev påført langs kvantetråden - et resultat, der var helt i modstrid med eksisterende teorier. Denne uenighed mellem eksperiment og teori forblev uforklaret i det sidste årti.

Den seneste undersøgelse identificerede en ny spin-orbit interaktionsfaktor forårsaget af hullernes indespærring til én dimension, og fandt ud af, at denne nye faktor forklarede det eksperimentelle resultat fra 2006.

Den nye undersøgelse er netop dukket op i Fysisk gennemgangsbreve , flagskibsbladet for American Physical Society.

Forskningen sluttede sig til teoretiske og eksperimentelle fysikere ved UNSW med kolleger i Cambridge og Sheffield i Storbritannien, og Novosibirsk i Rusland.

Arbejdet blev finansieret af Australian Research Council Discovery Program, og inkluderede FLEET's Alex Hamilton, Oleg Sushkov og Dima Miserev.

FLEET er en ny, ARC-finansieret forskningscenter, der sigter mod at løse den voksende computerenergiudfordring ved at bruge materialer, der kun er et atom i tykkelse. FLEET (ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) bruger atomisk tynde, todimensionelle (2-D) materialer som grundlag for en ny generation af ultra-lavenergielektronik. FLEET forbinder forskere fra UNSW School of Physics og UNSW School of Materials Science and Engineering med kolleger på seks andre universiteter og 13 andre australske og internationale videnskabscentre.

Alex Hamilton leder FLEETs forskningstema 1, søger efter topologiske dissipationsløse systemer til fremtiden, ultra-lavenergi elektronik.

Den oprindelige undersøgelse i 2006, også ledet af prof Hamilton og også udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , fandt, at retningen af ​​et påført magnetfelt bestemte opdelingen af ​​ledningsevnen i en strøm af huller. Den samme effekt forekommer ikke i en strøm af elektroner.

Denne undersøgelse var også den første til at karakterisere effekten af ​​et magnetfelt på en strøm af huller langs en kvantetråd. Eksperimenterne viste, at når huller bevæger sig langs en endimensionel bane, deres spin roterer for at flugte med et magnetfelt påført i en bestemt retning.

Denne reaktion adskiller huller fra elektroner, som ikke reagerer på samme måde på ændringer – de er ligeglade med, hvordan feltet anvendes.

Den unikke egenskab ved huller giver spændende potentiale for deres anvendelse i 'spintronic' teknologi. I spintronics, en partikels magnetiske spin bruges til at udføre logiske funktioner, snarere end bare partiklernes elektriske ladning, som i traditionel elektronik.