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自旋电流在太赫兹频段的转化
发布时间:2017-09-11 19:53:08 阅读:289

来源:phys.org;中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

类似这样传统的电子学从长远来看将被自旋电子学所代替。
图片来源:德国亥姆霍兹联合会研究中心(Helmholtz Association of German Research Centres)

    自旋电子学基于电子的内在固有自旋。用通常的术语理解,作为技术元件的基础,它注定要取代电子学。德国电子同步加速器研究所(DESY)科学家Lars Bocklage已经发现了一种新型可以产生超快自旋电流的方法。他的计算结果已经发表在最新一期科学杂志《物理评论快报》上(Physical Review Letters), 该论文指出在太赫兹频段可以产生自旋电流——这比迄今为止可以达到的速度快一千倍。

    自旋是电子的量子力学性能,也是其固有角动量的测量方式。正如同电子学中电子的电荷一般,自旋本身也可用作处理和存储信息。这一领域的研究就是众所周知的自旋电子学,就如同电子学一样。其实,自旋电子设备在今天早已开始使用,例如硬盘的读写头以及磁阻传感器等等。但是,自旋电子学是绝对的纳米科技,因为自旋电流在丢失其携带的信息前,可以覆盖的距离微乎其微。尽管如此,自旋电子学还是最终会全面取代电子学,不但可以迅速的处理信息,还可以做到高效节能。其原因是,与电子学不同,在自旋电子学中没有电子呈电流形式流动,因为电流会产生废热、消耗多余能量。

    但是,与电流相同的是,自旋电流也可以由起伏磁场创造。自旋电流可以从一种磁性材料到附近的另一种非磁性材料中“泵激”产生;自旋电流也会在较远距离的非磁性材料存在。在其共振频率,当一个外界磁场激活磁性材料时,这一效果尤其显著。这种现象在几千兆赫附近特别典型,毕竟这个频率也是当今移动通讯设备和电脑处理器运营的频段。一个千兆赫(GHz) 对应每秒产生十亿次振荡,而一个太赫兹则要快一千倍,也就是每秒产生万亿次振荡。

一个电子携带一个负电荷和一个自旋(最上图)。 一个自旋可以指向两个不同方向,向上(红色)和向下(蓝色)。电流输送电荷(下图左边)。自旋方向相互抵消,电流仅仅输送电荷。自旋电流输送自旋。对于一个自旋电流(下图右边),带有不同自旋方向的电子移动方向也各不相同。电荷相互抵消,输送的就只有自旋。
图片来源: L. Bocklage

    Bocklage的计算结果显示,超快自旋电流可以实现比迄今为止最快速度还要快一千倍。让人惊讶的是,自旋电流并不会降为零,即便当电子激活的频率不处于谐振频率中。 “磁化作用产生的速度快、起伏大,也是对其磁化程度下降的一种补偿方式,”Bocklage解释到,“这样会引起在很高频段中可以产生持续自旋电流,大约会在共振频率电流10%的地方稳定下来。采用太赫兹光波激活它,就如同在机场进行全身扫描安检一样,加之如今的激光研究正在对强光源进行不断的研发,太赫兹自旋电流可以更加强大。”此外,另一个优势是太赫兹自旋电流与产生磁化作用的磁场产生同步振荡,这就意味着,通过太赫兹磁场的调节,完全可以实现对自旋电流的人工控制。

 
 

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