钻石或是自旋电子元件潜在材料

中科院半导体所图信中心 2019-01-10 10:00:41

传统电子学依赖于控制电荷。最近,研究人员探寻了一种被称为自旋电子学的新技术潜力。自旋电子学依靠探测并控制粒子自旋。该技术或能带来新的更加高效和强大的设备。

据一篇今年发表在《Applied Physics Letters》上的文章中介绍,研究人员测量了电荷载子的自旋同钻石中的磁场发生相互作用的强度有多大。这种关键属性证实,钻石可作为自旋电子元件的一种颇有前景的材料。

澳大利亚La Trobe University研究人员Golrokh Akhgar介绍说,钻石之所以有吸引力,是因为和传统的半导体材料相比,它能被相对简单地处理并且制成自旋电子设备。传统量子元件基于多重半导体薄层,而这需要超高真空内非常精细的制造工艺。

“钻石通常是极好的绝缘体。”Akhgar表示。但当暴露在氢等离子体中时,钻石会将氢原子吸收进表面。当氢化钻石被引到潮湿的空气中,它变得具有导电性,因为一薄层水在其表面形成,从而将电子从钻石中剥离出来。钻石表面失去的电子表现得像带正电荷的粒子,从而使表面具有导电性。

研究发现,这些空穴拥有很多适合自旋电子学的属性。最重要的属性是被称为自旋轨道耦合的相对论效应,即电荷载子的自旋同其轨道运动发生相互作用。强烈的耦合使研究人员得以利用电场控制粒子的自旋。

在此前工作中,研究人员测量了空穴的自旋轨道耦合被电场“改造”的强度。他们还证实,外部电场能调整耦合强度。

在最新试验中,研究人员测量了空穴自旋同磁场相互作用的强度。他们使不同强度的恒定磁场在低于4开尔文的温度下同钻石表面平行,并且同时施加一个不断变化的垂直磁场。通过监控钻石电阻如何改变,他们确定了g因数。该数字能帮助研究人员利用磁场控制未来元件的自旋。

“电荷载子同电场和磁场的耦合强度是自旋电子学的核心。”Akhgar表示,“现在,我们拥有了通过电场或者磁场控制钻石表面导电层中自旋的两个关键参数。”


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