新的量子系统可以帮助设计更好的自旋电子学

研究人员为量子系统创造了一个新的测试基地，在这个测试基地中，他们可以打开和关闭某些粒子相互作用，为自旋电子学的进步铺平了道路。

旋转传输电子设备有可能彻底改变我们所知的电子设备，特别是在计算方面。虽然标准电子设备使用电子电荷来编码信息，但自旋电子设备依赖于电子的另一种固有特性：它的旋转。

自旋电子学可以比传统电子学更快，更可靠，因为旋转可以快速改变，这些设备使用更少的电力。然而，这个领域很年轻，研究人员需要解决许多问题，以改善他们对旋转信息的控制。困扰该领域的最复杂问题之一是具有自旋的粒子(称为自旋电流)携带的信号如何随时间衰减。

“我们需要让自旋电子学工作，并研究这些东西，这些信号可以衰减。就像我们想要好的手机服务来打电话一样，我们希望这个信号强大，”研究生李传勋说。在普渡大学的电气和计算机工程专业。“当自旋电流衰减时，我们就会失去信号。” 在现实世界中，电子不是独立于周围的一切而存在，而是表现出我们对它们的期望。它们与其他粒子以及它们内部的不同属性相互作用。粒子的自旋(内在属性)和动量(外在属性)之间的相互作用被称为自旋轨道耦合。

根据Nature Communications的一篇新论文，自旋轨道耦合和与其他粒子的相互作用可以显着增强称为玻色 - 爱因斯坦凝聚(BEC)的量子流体中的自旋电流衰减。

“人们希望操纵自旋形成，因此我们可以使用它来编码信息，而这样做的一种方法是使用自旋轨道耦合等物理机制，”李说。“然而，这可能会导致一些缺点，例如失去旋转信息。”

该实验是在普渡大学物理与天文学教授，电气与计算机工程教授Yong Chen的实验室完成的，他的团队在那里为BEC创建了一个微型粒子对撞机。使用激光器，真空室内的铷-87原子被捕获并冷却到接近零的绝对值。(物理学界的瘾君子可能会记得，激光冷却技术在1997年获得了诺贝尔物理学奖。激光捕获技术在2018年获得了该奖项。)

在这一点上，原子变成了BEC：五种物质状态中最冷和最神秘的。随着原子变冷，它们开始呈现波状特性。在这个量子状态下，他们有身份危机; 它们彼此重叠，停止表现得像个人一样。虽然BEC在技术上不是气体，但这可能是描述它的最简单方法 - 物理学家随便将其称为量子流体或量子气体。

在迷你量子流体对撞机内部，陈的团队发送了两个相反旋转的BEC相互撞击。就像两个气体云一样，它们部分地相互穿透，产生旋转电流。

“当你碰撞两个冷凝物时会发生许多引人入胜的现象。最初，它们是超流体，但当它们发生碰撞时，部分摩擦会使它们变成热气体，”陈说。“因为我们可以控制每个参数，所以这是研究这类碰撞的真正有效的系统。”

使用这个系统，研究人员可以逐字地打开和关闭自旋轨道耦合，这使它们能够隔离它对自旋电流衰减的影响。陈说，这不能用固态材料中的电子来完成，这是使这个系统如此强大的部分原因。

所谓的量子气体是人类可以制造的最干净的系统。没有任何障碍，这使得创建纯自旋电流和研究其特性成为可能。Chen希望继续使用这个实验测试场和它们的玻色子自旋电流来进一步探索自旋输运和量子动力学中的许多基本问题。

“自旋电子学和其他相关量子技术面临的一个重要挑战是减少衰变，因此我们可以在更长的距离内传播自旋信息，”他说。“凭借旋转轨道耦合作用的新知识，这可能有助于人们获得新的见解，以减少自旋衰减，并可能设计出更好的自旋电子器件。”