傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品依賴于對(duì)電荷的控制。最近，研究人員一直在探索一種被稱為自旋電子學(xué)的新技術(shù)，它依賴于探測(cè)和控制粒子的自旋。利用這項(xiàng)技術(shù)有望研制出更高效、更強(qiáng)大的新器件。
近日，澳大利亞拉籌伯大學(xué)的研究人員測(cè)量了電荷載子自旋與金剛石磁場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度。研究結(jié)論表明金剛石材料具備應(yīng)用于自旋電子器件的關(guān)鍵特性。金剛石之所以受到科學(xué)家的關(guān)注，是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)半導(dǎo)體材料更容易被加工和制造成自旋電子器件。傳統(tǒng)量子器件基于多半導(dǎo)體薄層結(jié)構(gòu)，這需要在超高真空狀態(tài)下完成十分精密的制造過程。
研究背景和原理
金剛石是一種良好的絕緣體材料，但當(dāng)暴露于氫等離子體環(huán)境中時(shí)，金剛石表面將會(huì)吸附氫原子并與其結(jié)合在一起。經(jīng)氫化處理的金剛石在潮濕空氣中會(huì)顯示出導(dǎo)體的性質(zhì)，這是因?yàn)樵诮饎偸砻鏁?huì)形成一層薄薄的水膜，將金剛石內(nèi)部的電子抽出。失去電子的金剛石表面會(huì)形成帶正電荷的空穴，從而具有了導(dǎo)電性。
經(jīng)氫等離子體處理的金剛石表面
研究人員發(fā)現(xiàn)這些空穴具有許多符合自旋電子學(xué)的特征，其中最重要的是一種被稱為自旋軌道耦合的相對(duì)論效應(yīng)，即電荷載子的自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量間的相互作用。如果這種耦合作用比較強(qiáng)，研究人員就可以利用電場(chǎng)來控制電荷載子的自旋。在之前的工作中，研究人員已經(jīng)測(cè)量出操控金剛石表面空穴自旋所需的自旋-軌道耦合強(qiáng)度。他們還發(fā)現(xiàn)通過改變外部電場(chǎng)可以對(duì)耦合強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在近期的實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)量了金剛石表面空穴與磁場(chǎng)的相互作用強(qiáng)度。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，研究人員在低于4開爾文的溫度下，施加了與金剛石表面平行的不同強(qiáng)度的恒定磁場(chǎng)，同時(shí)，在垂直方向上，還施加了一個(gè)穩(wěn)定變化的磁場(chǎng)，通過測(cè)量金剛石電阻的變化，確定了朗德因子（g-因子）。這一數(shù)值有助于研究人員在未來利用磁場(chǎng)控制器件的自旋。
