傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品依賴于對電荷的控制。最近，研究人員一直在探索一種被稱為自旋電子學的新技術，它依賴于探測和控制粒子的自旋。利用這項技術有望研制出更高效、更強大的新器件。

       近日，澳大利亞拉籌伯大學的研究人員測量了電荷載子自旋與金剛石磁場的相互作用強度。研究結(jié)論表明金剛石材料具備應用于自旋電子器件的關鍵特性。金剛石之所以受到科學家的關注，是因為它比傳統(tǒng)半導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，但當暴露于氫等離子體環(huán)境中時，金剛石表面將會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顯示出導體的性質(zhì)，這是因為在金剛石表面會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形成帶正電荷的空穴，從而具有了導電性。

       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的特征，其中最重要的是一種被稱為自旋軌道耦合的相對論效應，即電荷載子的自旋角動量與軌道角動量間的相互作用。如果這種耦合作用比較強，研究人員就可以利用電場來控制電荷載子的自旋。在之前的工作中，研究人員已經(jīng)測量出操控金剛石表面空穴自旋所需的自旋-軌道耦合強度。他們還發(fā)現(xiàn)通過改變外部電場可以對耦合強度進行調(diào)節(jié)。

       在近期的實驗中，研究人員測量了金剛石表面空穴與磁場的相互作用強度。在測量實驗中，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度的恒定磁場，同時，在垂直方向上，還施加了一個穩(wěn)定變化的磁場，通過測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控制器件的自旋。

       意義

       研究人員指出，電荷載子的自旋與電場和磁場的耦合強度是自旋電子學的核心所在。得到了體系自旋-軌道耦合強度和朗德因子等關鍵參數(shù)，就可以實現(xiàn)金剛石導電表面自旋的電場或磁場調(diào)控。

       此外，金剛石是透明的，所以它還可以被集成到光學器件中，利用可見光或紫外光來進行操控。氮空位中心是金剛石晶體中常見的點缺陷結(jié)構(gòu)，由晶格中取代碳原子的一個氮原子和相鄰格點上的一個空位構(gòu)成（如上圖所示）。其獨特的能級結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)使我們可以用光磁共振的方法操控其電子的自旋狀態(tài)；該自旋態(tài)在室溫下就具有很長的相干時間；同時，周圍核自旋提供了豐富的超精細相互作用，可以組成多量子比特系統(tǒng)。這些性質(zhì)使得氮-空位中心在量子計算、高空間分辨率的弱磁探測和溫度探測等方面擁有巨大的潛在應用價值。