導讀
近日，瑞典林雪平大學與皇家理工學院的研究人員提出了一種新的設備概念。它能在室溫條件下，將電子自旋攜帶的信息有效地傳輸至光線。這一研究成為了通向未來信息技術的重要踏板。
背景
當代信息技術中，光線與電荷是信息處理與傳輸的主要媒介。然而，在尋找更快、更小、更高能效的信息技術的過程中，全球科學家們都在探索電子的另外一種特性：自旋。利用電子的自旋作為信息媒介的電子學，也被稱為“自旋電子學（spintronics）”。
如同地球繞著自己的軸自旋一樣，電子也繞著它的軸自旋，要麼順時針，要麼逆時針。旋轉的偏手性稱為“自旋向上（spin-up）”和“自旋向下（spin-down）”的狀態。在自旋電子學中，這種兩種狀態代表了二進制比特“0”和“1”，用於攜帶信息。
自旋電子材料通過“上”或者“下”的電子自旋方向將二進制數據記錄於材料中（圖片來源：參考資料【3】）
原則上，這些自旋狀態編碼的信息可以通過發光裝置轉化為光線，然後再通過光纖長距離攜帶信息。這種量子信息的傳輸，為未來利用電子自旋和光線以及它們之間交互的信息技術開闢了新的可能性，這種信息技術被稱為“光-自旋電子學（opto-spintronics）”。之前，筆者也介紹過相關研究案例，例如：
1）荷蘭代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所（Kavli Institute of Nanoscience Delft）與荷蘭科學研究組織 AMOLF 研究所，合作開發出的一種在室溫條件下將自旋信息轉化為可預見的光信號的方法。
2）荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft ）教授 Vandersypen 領導的科學家團隊在硅量子芯片中，將電子自旋的量子信息傳送至光子的研究成果。
光-自旋電子學中的信息傳輸，是基於電子自旋狀態決定發光特性的原則。更明確地說，它是手性光線。在其中，從光線傳輸的方向看，電場要麼逆時針旋轉，要麼順時針旋轉。電場的旋轉取決於電子自旋的方向。然而，這裡卻有著一個“玄機”。
（圖片來源：Yuqing Huang）
林雪平大學物理、化學與生物系的 Weimin Chen 表示：“主要問題在於，溫度升高時，電子很容易喪失它們的自旋方向。未來自旋-光應用的關鍵就是在室溫下進行有效的量子信息傳輸。但是，室溫條件條件下，電子自旋的方向幾乎是隨機的。這意味著電子自旋中所編碼的信息會丟失掉，或者太模糊，以至於無法可靠地轉化為獨特的手性光線。”
創新
近日，瑞典林雪平大學與皇家理工學院的研究人員設計出一種高效的“自旋-光線（spin-light）”接口。他們提出了一種新的設備概念。它能在室溫條件下，將電子自旋攜帶的信息有效地傳輸至光線。這一研究成為了通向未來信息技術的重要踏板。
Irina Buyanova、Shula Chen、Yuqing Huang、Weimin Chen
（圖片來源：Roman Balagula）
他們將這一方案發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。
技術
Weimin Chen 表示：“在室溫條件下，這種接口不僅可以保持，甚至還可以改善電子自旋信號。它也可以將這些自旋信號，轉化為沿著預定方向傳輸的相應的手性光信號。”
這一設備的關鍵元件就是極小的鎵氮砷（GaNAs）圓盤。這些圓盤的高度僅為幾納米，相互堆疊在一起，其間是砷化鎵（GaAs）薄層，從而形成煙囪形狀的納米柱。作為對比，人類頭髮絲直徑約為納米柱直徑的千倍。
納米柱陣列設計中的 GaNAs/GaAs 納米圓盤（圖片來源：參考資料【2】）
科學家們所提議的設備具有改善自旋信號的獨特能力，這要歸功於研究人員向材料中引入了非常少的缺陷。極少量的鎵原子在材料中指定的晶格位置上被替換掉，材料中生成的缺陷作為有效的自旋過濾器，能排除自旋方向不符合期望的電子，而保留下那些自旋方向符合期望的電子。
價值
論文第一作者 Shula Chen 表示：“這種納米柱的一個重要優點，就是使得光線能被簡單地引導，高效地耦合進來和出去。”
研究人員希望，他們提議的設備將啟發自旋-光接口的新設計，促進未來的光-自旋電子學應用的發展。
關鍵字
光學、自旋、電子
【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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