可延长电子自旋的寿命，还能保存量子信息的方法

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博科园 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-04-20 19:00

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电子是基本粒子之一，是其他系统的基石，电子具有特定的性质，如自旋或角动量，可以被操纵来携带信息，从而为推动现代信息技术的发展做准备。现在一个国际合作的科学家团队，已经开发出一种方法来延长和稳定电子自旋的寿命，以更有效地携带信息。其研究成果发表在《物理评论B》期刊上，研究作者、东北大学材料科学系副教授Makoto Kohda说：

                               
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我们发现了使用自旋自由度作为电子自旋波的新方法。自旋特性就像一块微小的磁铁，可以用来存储信息。自旋还可以保存量子力学信息，这是量子计算的关键工具。然而，电子自旋作为波函数的一种性质是新的，这与磁自旋波不同，磁自旋波以不同的方式携带信息。电子自旋波是Kohda和研究小组创造的一个术语，它也携带信息。问题是，自旋波在丢失信息之前只能传播这么长时间。
从理论上讲，研究找到了一种通过选择合适的晶体取向来提高电子自旋波寿命的方法。在模拟实验中，电子自旋被限制在具有不同晶体取向的量子阱中。当研究人员调整晶体的取向以允许自旋取向垂直时，晶体结构部分地保护了电子自旋波不会过度弛豫。这种保护使旋转持续的时间比正常情况下延长了30%。研究将使用这种新的信息载体，电子自旋波，用于未来的电子设备和量子信息进步。

                               
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下一步是演示如何基于半导体器件中的电子自旋波来传输、处理和存储信息。在半导体中，由于D‘yakonov-Perel的自旋弛豫，自旋织构的集体激发通常衰减得相当快，后者是由自旋轨道耦合引起的波矢(K)，依赖于自旋旋转，与随机无序散射相结合，产生自旋退相干。然而，在一定条件下发生的对称性可以阻止特定均匀和非均匀自旋织构的弛豫。不均匀的自旋织构，被称为持久的自旋螺旋，特别吸引人，因为它能够在保持长自旋寿命的同时操纵自旋取向。

                               
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在闪锌矿二维电子气中，只要至少有两个生长方向的米勒指数在模量上一致，并且拉什巴系数和拉什巴系数都是一致的，就可以在闪锌矿二维电子气中实现这样的对称性。线性Dresselhaus自旋轨道耦合是适当匹配的，研究系统地分析了对称破缺的影响。三次Dresselhaus自旋-轨道耦合，通常共存于这些系统中，对新出现的自旋螺旋相对于生长方向稳定性有影响。研究发现，作为有效磁场的取向和强度之间的相互作用，

                               
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Dresselhaus项，低对称性生长方向的自旋弛豫最弱，该生长方向可以用[225]晶格矢量很好地近似。与[001]取向的电子气相比，这些量子阱产生了30%的自旋-螺旋寿命延长，而且，值得注意的是，需要的拉什巴系数可以忽略不计。相应自旋螺旋的旋转轴只略微倾斜出量子阱平面。这使得自旋-螺旋动力学的实验研究，很容易用于传统的光学自旋取向测量，其中自旋是沿着量子阱生长方向被激发和检测的。

博科园｜研究/来自：东北大学参考期刊《物理评论B》DOI: 10.1103/PhysRevB.101.245417