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研究人员发现利用自旋光能控制电流方向 在新的研究中，明尼苏达大学的科学家们首开先河地使用了一个器件来演示如何控制光电流的方向，而不用施加电压。这项新研究最近发表在科学杂志NatureCommunications（“拓扑绝缘体中引导光子和表面电子之间的自旋动量锁定相互作用”）上。  该图像显示了明尼苏达大学装置的伪色电子显微镜图像。蓝色区域表示光波导顶部的拓扑绝缘体呈红色。（图片来源：明尼苏达大学） 研究表明，所述控制是由光粒子（称为光子）顺时针或逆时针旋转的方向来实现的。自旋光产生的光电流也是自旋极化的，这意味着相比于另一方向，有更多的电子在同一个方向上旋转。这种新器件具有巨大的潜力，可用于以电子自旋为基本单位的下一代微电子技术。它也可以用于数据中心的高能效光通信。 明尼苏达大学电气和计算机工程系副教授，该研究的主要作者莫立（Mo Li）表示：“观察到的效果在我们的设备中甚至在室温和露天下都非常好。因此，我们演示的设备在下一代计算和通信系统中具有很大的潜力。” 光自旋和拓扑绝缘体 光是电磁波的一种形式。电场以直线或旋转方式振荡的方式称为极化。（你的偏光太阳镜挡住沿着直线极化的不想要的反射光的一部分）。在圆偏振光中，电场可以顺时针或逆时针方向旋转。在这种状态下，光粒子（光子）据说具有正或负的光学自旋角动量。这种光学自旋类似于电子的自旋，具有材料磁特性。 最近，一种被称为拓扑绝缘体（TI）的新材料被发现具有在普通半导体材料中没有的吸引人的特性。想象一下，在一条道路上，红色车辆只能在左侧车道上行驶，而蓝色车辆只能在右侧车道上行驶。类似地，在TI的表面上，指向一个方向自旋的电子总是在一个方向上流动。这种效应被称为自旋动量锁定 - 电子的自旋锁定在它们的行进方向上。 有趣的是，在TI上照射圆偏振光可以使电子从其内部以选择性的方式释放电子使得它们在TI材料表面流动，例如顺时针旋转电子，逆时针旋转电子。由于这种效应，TI材料表面上产生的光电流自发地沿一个方向流动，而不需要施加电压。这个特征对于控制光电流的方向是重要的。因为这个电流中的大部分电子的自旋指向一个方向，所以这个电流是自旋极化的。 控制方向和偏振 为了制造能够在不使用电压的情况下改变光电流方向的独特装置，该大学的研究团队将一种TI材料薄膜（硒化铋）集成在由硅制成的光波导上。就像电流流经铜线一样，光线流经波导（一条1.5微米宽，0.22微米高的细线）。由于光在波导中被紧密地挤压，所以它倾向于沿垂直于其流动方向的方向圆偏振。这类似于TI材料中电子的自旋动量锁定效应。 科学家们认为，将TI材料与光波导集成在一起将会引起波导中的光与TI材料中的电子之间的强耦合，两者具有相同的，吸引人的自旋动量锁定效应。耦合将导致独特的光电效应 - 在波导中沿着一个方向流动的光产生与电子自旋极化方向相同的电流。 反转光的方向可以反转电流方向和自旋极化。而这正是团队在他们的设备中所观察到的。观察到的效应的其他可能成因，例如光产生的热量，已经通过仔细的实验排除了。 前景展望 这项研究的结果令研究人员们兴奋不已。它具有巨大的潜在可能的应用场景。 “我们的器件在拓扑绝缘体表面产生自旋极化电流。他们可以用作自旋电子器件的电流源，它使用电子自旋以非常低的能量成本传输和处理信息，”本论文的一个作者、明尼苏达大学物理研究生李和（Li He）说到。 “我们的研究连接了纳米技术的两个重要领域：自旋电子学和纳米光子学。它完全与可以大规模生产的硅光子电路集成在一起，并已经在数据中心的光通信中得到了广泛的应用。” 原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=48960.php（实验帮译） 分享到：
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