科學家開出一種方法：可延長電子自旋的壽命，還能保存量子信息！

電子是基本粒子之一，是其他系統(tǒng)的基石，電子具有特定的性質，如自旋或角動量，可以被操縱來攜帶信息，從而為推動現(xiàn)代信息技術的發(fā)展做準備?，F(xiàn)在一個國際合作的科學家團隊，已經(jīng)開發(fā)出一種方法來延長和穩(wěn)定電子自旋的壽命，以更有效地攜帶信息。其研究成果發(fā)表在《物理評論B》期刊上，研究作者、東北大學材料科學系副教授Makoto Kohda說：

我們發(fā)現(xiàn)了使用自旋自由度作為電子自旋波的新方法。自旋特性就像一塊微小的磁鐵，可以用來存儲信息。自旋還可以保存量子力學信息，這是量子計算的關鍵工具。然而，電子自旋作為波函數(shù)的一種性質是新的，這與磁自旋波不同，磁自旋波以不同的方式攜帶信息。電子自旋波是Kohda和研究小組創(chuàng)造的一個術語，它也攜帶信息。問題是，自旋波在丟失信息之前只能傳播這么長時間。

從理論上講，研究找到了一種通過選擇合適的晶體取向來提高電子自旋波壽命的方法。在模擬實驗中，電子自旋被限制在具有不同晶體取向的量子阱中。當研究人員調整晶體的取向以允許自旋取向垂直時，晶體結構部分地保護了電子自旋波不會過度弛豫。這種保護使旋轉持續(xù)的時間比正常情況下延長了30%。研究將使用這種新的信息載體，電子自旋波，用于未來的電子設備和量子信息進步。

下一步是演示如何基于半導體器件中的電子自旋波來傳輸、處理和存儲信息。在半導體中，由于D‘yakonov-Perel的自旋弛豫，自旋織構的集體激發(fā)通常衰減得相當快，后者是由自旋軌道耦合引起的波矢(K)，依賴于自旋旋轉，與隨機無序散射相結合，產(chǎn)生自旋退相干。然而，在一定條件下發(fā)生的對稱性可以阻止特定均勻和非均勻自旋織構的弛豫。不均勻的自旋織構，被稱為持久的自旋螺旋，特別吸引人，因為它能夠在保持長自旋壽命的同時操縱自旋取向。

在閃鋅礦二維電子氣中，只要至少有兩個生長方向的米勒指數(shù)在模量上一致，并且拉什巴系數(shù)和拉什巴系數(shù)都是一致的，就可以在閃鋅礦二維電子氣中實現(xiàn)這樣的對稱性。線性Dresselhaus自旋軌道耦合是適當匹配的，研究系統(tǒng)地分析了對稱破缺的影響。三次Dresselhaus自旋-軌道耦合，通常共存于這些系統(tǒng)中，對新出現(xiàn)的自旋螺旋相對于生長方向穩(wěn)定性有影響。研究發(fā)現(xiàn)，作為有效磁場的取向和強度之間的相互作用，

Dresselhaus項，低對稱性生長方向的自旋弛豫最弱，該生長方向可以用[225]晶格矢量很好地近似。與[001]取向的電子氣相比，這些量子阱產(chǎn)生了30%的自旋-螺旋壽命延長，而且，值得注意的是，需要的拉什巴系數(shù)可以忽略不計。相應自旋螺旋的旋轉軸只略微傾斜出量子阱平面。這使得自旋-螺旋動力學的實驗研究，很容易用于傳統(tǒng)的光學自旋取向測量，其中自旋是沿著量子阱生長方向被激發(fā)和檢測的。

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博科園｜研究/來自：東北大學

參考期刊《物理評論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.101.245417

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