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用于量子计算机和自旋电子学的可充电自旋电池
研究者近期利用拓扑绝缘体材料创造了一种可充电“自旋电池”，向新型自旋电子设备和量子计算机制造又迈进了一步。该研究已发表在4月14日的科学进展杂志上，实验由博士后副研究员Jifa Tian主导。
该显微图片为用于测量可充电“自旋电池”中的“持续自旋极化”的设备。
Credit: Purdue University image/Jifa Tian
不同于寻常材料要么是绝缘体要么是导体，拓扑绝缘体既是导体也是绝缘体，内部是绝缘体但表面是导电的。这种材料可被用于制造自旋电子设备和量子计算机。
电子可被认为具备两种自旋态：向上或者向下，并且叠加态现象中电子可以同时处于两种状态。可利用量子力学定律结合该性质实现计算，制造在某些任务中比传统计算机更快的计算机。
拓扑绝缘体表面的导电电子具有一种重要的性质：自旋-动量锁定，即电子运动的方向决定了自旋方向。这种自旋就可被用于编码或者携带信息，用上或下方向表示0或1，用在基于自旋的信息处理和计算，或者自旋电子设备中。
普渡大学物理和天文和电子和计算机工程教授、普渡量子中心主任Yong P. Chen说道：“由于自旋-动量锁，如果将电流通过拓扑绝缘体材料，就可以让电子的自旋排成一个方向，这是一个很有意思的效应。”
将该材料通以电流就能诱发电子“自旋极化”，可被用于自旋电子。通常，必须保持通电才能维持该极化。但是，在新研究中，普渡大学研究者首次诱发了长时存在的电子自旋极化，即使电流消失也持续了两天。利用自旋电势测定法和磁性电压探针，能做成自旋敏感电压计，检测电子自旋极化。
Tian说道：“这种前所未有的电流控制自旋极化持续时间可用于制造可充电自旋电池，及可再写自旋存储设备，未来可能被用于自旋电子设备和量子信息系统中。”
“写入电流”好比是计算机存储中记录零和一。
Chen说道：“不过，一个更好的类比是电池。写入电流就像是充电电流，就像是给你的果机充电一到两个小时，就能持续使用几天(你家的果机这么能用？)。这是类似的道理。我们利用写入电流对这种自旋电池充电半个小时或者一个小时，然后这种自旋就会保持极化状态长达两天，就像是可充电电池。”
该图示描述了假想的拓扑绝缘体中从电子到原子核的“自旋传递”。
Credit: Purdue University image/Jifa Tian
这一发现是一个惊喜。
他说道：“这完全出乎预料，也不是实验的初衷。这是一个偶然的发现，多亏了Jifa的耐心和坚持，重复进行多次的测量，不断改善自旋电池的充电以获得可测的持续自旋极化信号。”
研究者尚不确定造成这一效应的原因。不过，一种解释理论是自旋极化电子可能将其极化传递到了材料的原子核。这一假说由普渡大学的电子和计算机工程Thomas Duncan杰出教授Supriyo Datta提出。
Chen说道：“在一次会面中，Datta教授提出了一个关键建议，Jifa观测到的持续自旋信号看起来像是电池。先前曾有一些原子核自旋驱动电池的与此类似的实验，虽然这些实验的条件更加严苛，比如强磁场。目前我们的观测与原子核自旋产生的效应一致，虽然并没有直接的证据。”
原子核自旋可被用于量子存储和量子计算机。
Chen说道：“现在我们可以通过电气方法实现，由于可以利用通电进行原子核自旋极化，因此可将其用于量子电路中。传统上这很难实现。不过我们的基于拓扑绝缘体的自旋电池甚至可在零磁场和较低温度下(几十开尔文)工作，这很不寻常。”
曾经与Datta共事的前普渡大学博士生、现在英特尔公司的软件工程师Seokmin Hong说道：“通常的充电电池输出能驱动电流的电压，而自旋电池输出的是自旋电压，或者更准确地说是上旋和下旋电子之间的化学势差，可将其用于驱动非平衡自旋电流。”
研究者使用了硒碲铋材料薄片，与碲化铋同类。不同于掺杂了一定半导体的商用材料，在实验中用的纯度超高，几乎没有任何掺杂，因此传导性主要由表面的极化自旋电子决定。研究科学家Ireneusz Miotkowski在Chen主管的普渡物理和天文系半导体晶体实验室合成了这种材料。Tian在普渡发现角的比尔克纳米技术中心制造了该设备。
未来的研究将包括通过直接探测原子核自旋鉴定这一效应的成因以及该自旋电池的可能实际应用。