Kontrol af hullespin til fremtidige kvante-spin-baserede enheder, topologiske materialer

'Spins' af elektroner (og huller) i halvledere har potentielle anvendelser inden for spintronics, spin-baseret kvanteberegning, og topologiske systemer.

En partikels spin er dens iboende vinkelmoment.

I et magnetfelt, spins af elektroner eller huller orienteres enten parallelt ('spin-up') eller anti-parallel ('spin-down') til feltretningen-ligesom en kompassnål.

Disse parallelle og anti-parallelle orienteringer har forskellige energier, og det er denne energiforskel (kendt som Zeeman splitting, hvis den skyldes et magnetfelt), der er nøglen til spin-baseret informationsbehandling.

I et papir, der blev offentliggjort i denne uge, FLEET -forskere ved UNSW har demonstreret en helt ny mekanisme til elektrisk styring af hullers spin i en kvantebrønd. Avisen er omtalt i denne uge i APS fysik .

Huller er kvasipartikler, stort set 'manglende elektroner' - lidt som boblen i et vaterpas, den forsvundne stol i et spil musikalske stole, eller den manglende spiller i en defensiv baglinje. Lyder det lidt esoterisk? Godt, halvdelen af ​​transistorer i din bærbare computer eller iPhone skifter faktisk ved hjælp af bevægelse af positivt ladede 'huller'-frem for negativt ladede elektroner.

Hvor passer spin så ind i puslespillet? For at besvare dette, man skal zoome ind i atombilledet. I et atom, spin-kredsløb-interaktionen parrer elektronernes (eller huller) spin til deres bevægelse omkring atomets kerne. På grund af denne kobling, elektroner (eller huller) i bevægelse 'fornemmer' det elektriske felt i kernen som et effektivt magnetfelt, som derefter får elektronerne (eller hullerne) til at have to modsatte spinorienteringer med en energiforskel - en analogi med Zeeman -opdeling.

Men det er ikke hele historien:huller har meget forskellige spinegenskaber end elektroner. I modsætning til elektroner, som er spin 1/2 partikler, huller i halvledere er spin 3/2 quasiparticles. Denne spin -forskel betyder, at huller reagerer ganske forskelligt på et elektrisk felt eller et magnetfelt.

Spin-bane-interaktion i huller er meget stærkere end i elektroner, hvilket betyder, at energiforskellen mellem to modsatte spinorienteringer er meget større og meget mere følsom over for elektriske felter i huller end i elektroner. Dermed, huller muliggør al-elektrisk spin-manipulation, hvilket er meget lovende for ultra-lavdrevne spin-transistorer, højhastigheds-kvantebits, og fejltolerante topologiske kvantebits.

I undersøgelsen, forskerne demonstrerede en helt ny mekanisme til elektrisk styring af hullers spin i en kvantebrønd, udnytter hullernes usædvanlige spin 3/2 karakter. Takket være den stærke spin-orbit-interaktion, forskerne viste, at ved udelukkende at bruge elektriske felter til at øge hullernes momentum, Zeeman -opdelingen kunne forbedres med så meget som 300%.

Den ekstreme afstemning af Zeeman-splittelsen via elektriske felter åbner nye muligheder for fremtidige kvante-spin-baserede enheder, såsom spin -transistorer, spin-kredsløb qubits, og kvantelogiske porte. Det vil også hjælpe med at realisere Majorana-systemer i superledersystemer af p-typen, tillader en at drive systemet ind i et topologisk regime under et eksternt magnetfelt uden at undertrykke den superledning, der er nødvendig for at understøtte Majorana -excitationer.

Forskerne udviklede også en ny metode til ekstraktion af g-faktoren (kvantificering af Zeeman-opdeling) fra magnetoresistensoscillationer af todimensionale huller, forbedring af konventionelle metoder, der fejler for todimensionale systemer med stærk spin-orbit-interaktion.

Endelig, evnen til at kontrollere spin-orbit-interaktionen er også nøglen til udvikling af nye topologiske materialer, som i øjeblikket forskes på FLEET for deres potentiale for at levere ultra-lave modstandsveje til elektriske strømme.

Undersøgelsen Electrical Control of Zeeman Spin Splitting in Two-dimensionale Hole Systems blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve i dag, og blev valgt som et redaktionsforslag, fremhævet i Fysik .