據(jù)外媒報(bào)道，未來研究人員可能會在量子計(jì)算機(jī)中使用電子自旋處理信息的信息技術(shù)。長期以來，能夠在室溫下使用基于自旋的量子信息技術(shù)一直是科學(xué)家們的目標(biāo)。目前，來自瑞典、芬蘭和日本的研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一種半導(dǎo)體組件，在這種組件中，電子自旋和光之間可以有效地交換信息--在室溫及更高溫度下。

　　眾所周知，電子具有負(fù)電荷，而且它們還有另一個(gè)特性，即自旋。后者可能會被證明在信息技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。簡單地說，我們可以想象電子繞著自己的“軸線”旋轉(zhuǎn)，就像地球繞著自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一樣。自旋電子學(xué)--未來信息技術(shù)的一個(gè)有前途的候選者--利用電子的這種量子特性來存儲、處理和傳輸信息。這帶來了重要的好處，比如比傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品速度更快，能耗更低。

　　近幾十年來自旋電子學(xué)的發(fā)展是以金屬的使用為基礎(chǔ)的，這些發(fā)展對于儲存大量數(shù)據(jù)的可能性來說非常重要。然而，使用基于半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)會有幾個(gè)優(yōu)勢，就像半導(dǎo)體構(gòu)成當(dāng)今電子學(xué)和光子學(xué)的骨干一樣。

　　"基于半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)的一個(gè)重要優(yōu)勢是可以將自旋態(tài)所代表的信息轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)移到光上，反之亦然。這種技術(shù)被稱為光自旋電子學(xué)。領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的瑞典林雪平大學(xué)教授陳偉民說："它將使基于自旋的信息處理和存儲與通過光的信息傳輸結(jié)合起來成為可能。"他說："光自旋電子學(xué)是一種基于自旋的電子學(xué)技術(shù)。

　　由于目前使用的電子器件都是在室溫及以上的環(huán)境下工作，自旋電子學(xué)發(fā)展中的一個(gè)嚴(yán)重問題是，當(dāng)溫度升高時(shí)，電子的自旋方向往往會發(fā)生切換和隨機(jī)化。這意味著電子自旋狀態(tài)所編碼的信息會丟失或變得模糊不清。因此，在室溫和較高的溫度下，我們能使基本上所有的電子都定向到相同的自旋狀態(tài)，并保持這種狀態(tài)，換句話說，它們是自旋極化的，這是發(fā)展基于半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)的必要條件。以往的研究在室溫下，電子自旋極化最高只有60%左右，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

　　目前林雪平大學(xué)、坦佩雷大學(xué)和北海道大學(xué)的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了室溫下電子自旋極化大于90%。即使在110℃的高溫下，自旋極化仍保持在較高的水平。這一技術(shù)進(jìn)步在《自然光子學(xué)》上有所描述，它是基于研究人員用不同的半導(dǎo)體材料層構(gòu)建的一種光自旋納米結(jié)構(gòu)。它包含稱為量子點(diǎn)的納米級區(qū)域。每個(gè)量子點(diǎn)約是人類頭發(fā)的厚度的萬分之一。

　　當(dāng)自旋偏振的電子撞擊在量子點(diǎn)上時(shí)，它就會發(fā)射光--更準(zhǔn)確地說，它發(fā)射的是單光子，其狀態(tài)（角動量）由電子自旋決定。因此，量子點(diǎn)被認(rèn)為具有巨大的潛力，可以作為電子自旋和光之間傳遞信息的接口，這將是自旋電子學(xué)、光子學(xué)和量子計(jì)算所必需的。在最新發(fā)表的研究中，科學(xué)家們表明，可以利用相鄰的自旋濾波器遠(yuǎn)程控制量子點(diǎn)的電子自旋，而且是在室溫下。

　　量子點(diǎn)由砷化銦制成，一層砷化鎵氮起到自旋過濾器的作用。它們之間夾著一層砷化鎵。類似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用于基于砷化鎵的光電技術(shù)中，研究人員認(rèn)為，這可以使自旋電子學(xué)更容易與現(xiàn)有的電子和光子元件集成。

　　“我們非常高興的是，我們長期努力提高制造高度控制的含N半導(dǎo)體所需的專業(yè)知識，正在界定自旋電子學(xué)的新領(lǐng)域。到目前為止，我們在將這種材料用于光電子器件時(shí)取得了良好的成功，最近一次是在高效太陽能電池和激光二極管方面?，F(xiàn)在，我們期待著繼續(xù)這項(xiàng)工作，將光子學(xué)和自旋電子學(xué)結(jié)合起來，利用一個(gè)共同的平臺來實(shí)現(xiàn)基于光和基于自旋的量子技術(shù)，”芬蘭坦佩雷大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Mircea Guina教授說。

　　什么是自旋電子學(xué)？

　　自旋電子學(xué)是一種利用電子的電荷和自旋來處理和傳遞信息的技術(shù)。

　　電子的自旋可以設(shè)想為當(dāng)電子繞其軸線順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生，就像地球繞其軸線旋轉(zhuǎn)一樣。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向被稱為 "向上 "和 "向下"。在當(dāng)今的電子技術(shù)中，電子電荷被用來代表0和1，并以此來承載信息。相應(yīng)的，在自旋電子學(xué)中也可以用電子的自旋狀態(tài)來表示信息。

　　在量子物理學(xué)的世界里，一個(gè)電子可以同時(shí)擁有兩個(gè)方向的自旋（從而處于1和0的混合狀態(tài)）。當(dāng)然，這在傳統(tǒng)的 "經(jīng)典 "世界中是完全不可想象的，也是量子計(jì)算的關(guān)鍵。因此，自旋電子學(xué)對于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展是很有前途的。

　　光自旋電子學(xué)就是將電子自旋狀態(tài)所代表的信息傳遞給光，反之亦然。光，光子就可以通過光纖，非常迅速地、跨越長距離地將信息傳遞下去。電子的自旋狀態(tài)決定了光的特性，或者說得更準(zhǔn)確一些，它決定了光的電磁場會圍繞著行進(jìn)方向順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，大致就像開瓶器可以有順時(shí)針或逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動方向一樣。

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