光电|瑞典研究人员设计出镓氮砷纳米柱，增强电子自旋信号，将成为未来光电信息技术的基石

瑞典林雪平大学和瑞典皇家理工学院的研究人员提出了一种能够在室温下有效地将电子自旋携带的信息传递给光器件概念。

光自旋电子学

电子绕其自身轴旋转，顺时针或逆时针旋转，旋转的旋向性被称为旋转和旋转状态。在自旋电子学中，两个状态表示0和1的二进制位，因此携带信息。由这些自旋状态编码的信息原则上可以通过发光装置转换成光，然后通过光纤在长距离上传送信息。量子信息的这种转移开启了未来信息技术利用电子自旋和光以及它们之间相互作用的可能性，这种技术被称为“光自旋电子学”。

研究背景

光电自旋电子学中的信息传递基于电子的自旋状态决定发射光的特性的原理。更具体地说，它是手性光，其中当沿光的行进方向看时，电场顺时针或逆时针旋转。电场的旋转由电子的自旋方向决定。

然而，根据林雪平大学的Weimin Chen的说法，当温度升高时，电子很容易失去自旋方向。 “未来自旋光应用的一个关键因素是在室温下有效的量子信息传输，但在室温下，电子自旋方向几乎是随机的。这意味着电子自旋编码的信息可能丢失或过于模糊，无法可靠地转换其独特的手性光。”

自旋光接口

现在，林雪平大学和皇家理工学院的研究人员设计了他们所说的高效自旋光接口。Chen解释说，“这种接口不仅可以在室温下保持甚至增强电子自旋信号。它还可以将这些自旋信号转换成相应的手性光信号，这些信号沿着所需的方向传播”。

该器件的关键组件是极小的镓氮砷（GaNAs）盘。这些盘只有几纳米高，并且彼此叠放，并在其间形成一层薄薄的砷化镓（GaAs），形成烟囱形的纳米柱。为了比较，人类头发的直径比纳米柱的直径大约一千倍。制造的烟囱状纳米柱的显微镜图像如下图所示。

纳米柱增强自旋信号的原理

所提出的器件具有增强自旋信号的独特能力，原因是研究人员将最小的缺陷引入材料中。从材料中指定的晶格位置移位的百万个镓原子中不到一个。材料中产生的缺陷充当有效的自旋滤波器，其可以以不希望的自旋方向耗尽电子并保留具有所需旋转方向的电子。 

研究意义

“纳米柱设计的一个重要优点是可以轻松地引导光线，更有效地耦合进出”，该文章的第一作者Shula Chen说。

研究人员希望他们提出的器件将激发新的自旋光接口设计，这对未来的光电自旋电子应用具有很大的希望。