作者/文龍

目前最先進的半導體制造工藝為7 nm，但由於量子尺寸效應，電晶體節點大小的極限為1 nm。因此，半導體制造廠商轉向自旋電子作為未來的替代技術。基於自旋電子的量子資訊科技具有將半導體裝置和磁儲存裝置整合在單個晶片中的能力，長期以來，科學家一直致力於在室溫條件下使用這項技術的目標。

近日，來自瑞典、芬蘭和日本的研究人員報告，他們已經構建了一種半導體器件，該器件可以在室溫以及更高的溫度下有效地在自旋電子和光子之間交換資訊，證明了在常見的半導體奈米結構中實現光電自旋功能的可行性。

研究成果於4月8日以為「透過遠端自旋濾波，室溫下光子-自旋電子半導體奈米結構中的電子自旋極化率超90％」（Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering）題發表在《自然·光子學》（Nature Photonics）雜誌上。

自旋電子技術可以最佳化資訊儲存的處理和傳輸。自1990年代以來，我們目睹了基於金屬的自旋電子技術徹底改變了大資料儲存行業，大獲成功。由於常規的半導體通常是非磁性的，需要在半導體中產生幾乎完全自旋極化的載流子，但在室溫條件下存在兩大障礙：自旋極化率低和自旋電子的快速熱淬滅。

林雪平大學，坦佩雷大學和北海道大學的研究人員使用相鄰的自旋濾波器來遠端控制量子點的電子自旋。具體來說，他們構建出含有「量子點」的光子-自旋電子奈米結構，每個量子點比人類髮絲直徑還小大約10,000倍。經過濾波器的自旋電子撞擊量子點時，會發射出一個單光子，其狀態（角動量）由自旋電子決定。

實驗結果表明，已經可以在室溫下實現超過90％的電子自旋極化，並且在高達110°C時仍可以保持較高的水平。

光子-自旋電子技術

眾所周知，電子具有正負電荷，但它們還具有另一種特性，即自旋。與地球繞其軸旋轉的方式相同，電子繞其軸順時針或逆時針旋轉形成電子的自旋。在當今的電子技術中，使用電子的電荷表示0和1，並以此方式攜帶資訊。相應地，可以使用電子的自旋狀態的形式表示資訊。

自旋電子很有可能成為未來資訊科技的希望。電子的這種量子特性可以用來儲存、處理和傳輸資訊，利用自旋電子製造的器件具有更高的速度和更低的能耗。但在量子物理學的世界中，電子可以同時具有兩個自旋方向（處於1和0的混合狀態）。因此，自旋電子技術有望用於量子計算機的發展。

自旋電子半導體的一個重要優點是可以將自旋狀態表示的資訊傳遞給光子，光子再透過光纖以非常快地速度跨越很長的距離傳輸資訊，接收到的光子再將資訊傳輸給電子，該技術被稱為光子-自旋電子技術。

「這將使基於自旋的資訊處理和儲存與透過光的資訊傳輸相整合成為可能，」領導該專案的瑞典林雪平大學教授Weimin Chen表示。Chen帶領的團隊多年致力於光子-自旋電子領域的研究，曾設計出一種室溫下高效的光子-自旋電子介面，該研究就基於此開展。

室溫造成的麻煩

「由於當今使用的電子裝置在室溫或者更高溫度下工作，自旋電子的發展存在一個嚴重的問題，即隨著溫度的升高，電子的自旋方向趨於隨機化。這意味著由電子自旋態編碼的資訊丟失或模稜兩可。因此，自旋電子半導體發展的必要條件是可以使室溫下所有電子的自旋態基本取向相同並保持。先前的研究在室溫下實現了約60％的電子自旋極化，這在大規模實際應用中是站不住腳的。」

在該團隊新設計的光電自旋電子奈米結構中，量子點由砷化銦（InAs）製成，砷化鎵氮鎵（GaNAs）層用作自旋過濾器，中間夾有一層砷化鎵（GaAs）。類似的結構已經在基於砷化鎵的光電技術中使用，因此，研究人員認為該自旋電子器件與現有的光電器件整合起來更加容易。

「我們非常高興能夠為製造高度受控的含氮半導體所需的專業知識做出貢獻，」芬蘭坦佩雷大學研究團隊負責人Mircea Guina教授表示。「我們已經成功地將此類材料用於高效太陽能電池和鐳射二極體等光電器件。現在，我們將繼續這項工作，用基於光子和自旋電子的量子資訊科技將光子學和自旋電子學結合起來。」

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00786-y#ref-CR20

參考內容：

https://liu.se/en/news-item/genombrott-mojliggor-spinntronik-av-halvledare

https://liu.se/en/news-item/pelare-i-nanostorlek-kan-bli-byggpelare-i-framtida-informationsteknologi