导读
近日，瑞典林雪平大学与皇家理工学院的研究人员提出了一种新的设备概念。它能在室温条件下，将电子自旋携带的信息有效地传输至光线。这一研究成为了通向未来信息技术的重要踏板。
背景
当代信息技术中，光线与电荷是信息处理与传输的主要媒介。然而，在寻找更快、更小、更高能效的信息技术的过程中，全球科学家们都在探索电子的另外一种特性：自旋。利用电子的自旋作为信息媒介的电子学，也被称为“自旋电子学（spintronics）”。
如同地球绕着自己的轴自旋一样，电子也绕着它的轴自旋，要么顺时针，要么逆时针。旋转的偏手性称为“自旋向上（spin-up）”和“自旋向下（spin-down）”的状态。在自旋电子学中，这种两种状态代表了二进制比特“0”和“1”，用于携带信息。
自旋电子材料通过“上”或者“下”的电子自旋方向将二进制数据记录于材料中（图片来源：参考资料【3】）
原则上，这些自旋状态编码的信息可以通过发光装置转化为光线，然后再通过光纤长距离携带信息。这种量子信息的传输，为未来利用电子自旋和光线以及它们之间交互的信息技术开辟了新的可能性，这种信息技术被称为“光-自旋电子学（opto-spintronics）”。之前，笔者也介绍过相关研究案例，例如：
1）荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience Delft）与荷兰科学研究组织 AMOLF 研究所，合作开发出的一种在室温条件下将自旋信息转化为可预见的光信号的方法。
2）荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队在硅量子芯片中，将电子自旋的量子信息传送至光子的研究成果。
光-自旋电子学中的信息传输，是基于电子自旋状态决定发光特性的原则。更明确地说，它是手性光线。在其中，从光线传输的方向看，电场要么逆时针旋转，要么顺时针旋转。电场的旋转取决于电子自旋的方向。然而，这里却有着一个“玄机”。
（图片来源：Yuqing Huang）
林雪平大学物理、化学与生物系的 Weimin Chen 表示：“主要问题在于，温度升高时，电子很容易丧失它们的自旋方向。未来自旋-光应用的关键就是在室温下进行有效的量子信息传输。但是，室温条件条件下，电子自旋的方向几乎是随机的。这意味着电子自旋中所编码的信息会丢失掉，或者太模糊，以至于无法可靠地转化为独特的手性光线。”
创新
近日，瑞典林雪平大学与皇家理工学院的研究人员设计出一种高效的“自旋-光线（spin-light）”接口。他们提出了一种新的设备概念。它能在室温条件下，将电子自旋携带的信息有效地传输至光线。这一研究成为了通向未来信息技术的重要踏板。
Irina Buyanova、Shula Chen、Yuqing Huang、Weimin Chen
（图片来源：Roman Balagula）
他们将这一方案发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。
技术
Weimin Chen 表示：“在室温条件下，这种接口不仅可以保持，甚至还可以改善电子自旋信号。它也可以将这些自旋信号，转化为沿着预定方向传输的相应的手性光信号。”
这一设备的关键元件就是极小的镓氮砷（GaNAs）圆盘。这些圆盘的高度仅为几纳米，相互堆叠在一起，其间是砷化镓（GaAs）薄层，从而形成烟囱形状的纳米柱。作为对比，人类头发丝直径约为纳米柱直径的千倍。
纳米柱阵列设计中的 GaNAs/GaAs 纳米圆盘（图片来源：参考资料【2】）
科学家们所提议的设备具有改善自旋信号的独特能力，这要归功于研究人员向材料中引入了非常少的缺陷。极少量的镓原子在材料中指定的晶格位置上被替换掉，材料中生成的缺陷作为有效的自旋过滤器，能排除自旋方向不符合期望的电子，而保留下那些自旋方向符合期望的电子。
价值
论文第一作者 Shula Chen 表示：“这种纳米柱的一个重要优点，就是使得光线能被简单地引导，高效地耦合进来和出去。”
研究人员希望，他们提议的设备将启发自旋-光接口的新设计，促进未来的光-自旋电子学应用的发展。
关键字
光学、自旋、电子
【1】https://liu.se/en/news-item/pelare-i-nanostorlek-kan-bli-byggpelare-i-framtida-informationsteknologi
【2】Shula Chen, Yuqing Huang, Dennis Visser, Srinivasan Anand, Irina A. Buyanova, Weimin M. Chen. Room-temperature polarized spin-photon interface based on a semiconductor nanodisk-in-nanopillar structure driven by few defects . Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-06035-1
【3】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x
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