De 'spins' van elektronen (en gaten) in halfgeleiders hebben potentiële toepassingen in spintronica, op spin gebaseerde kwantumcomputers, en topologische systemen.

De spin van een deeltje is het intrinsieke impulsmoment.

In een magnetisch veld, de spins van elektronen of gaten worden parallel ('spin-up') of anti-parallel ('spin-down') aan de veldrichting georiënteerd – net als een kompasnaald.

Deze parallelle en antiparallelle oriëntaties hebben verschillende energieën, en het is dit energieverschil (bekend als Zeeman-splitsing indien veroorzaakt door een magnetisch veld) dat de sleutel is tot spin-gebaseerde informatieverwerking.

In een deze week gepubliceerde krant FLEET-onderzoekers van UNSW hebben een geheel nieuw mechanisme gedemonstreerd voor het elektrisch regelen van de spin van gaten in een kwantumput. De krant is deze week te zien in APS-fysica .

Gaten zijn quasideeltjes, eigenlijk 'ontbrekende elektronen' - een beetje zoals de bel in een waterpas, de ontbrekende stoel in een stoelendans, of de ontbrekende speler in een verdedigende achterlijn. Klinkt het een beetje esoterisch? We zullen, de helft van de transistors in uw laptop of iPhone schakelt daadwerkelijk met behulp van de beweging van positief geladen 'gaten' - in plaats van negatief geladen elektronen.

Waar past spin dan in de puzzel? Om dit te beantwoorden, men moet inzoomen op het atoombeeld. In een atoom, de spin-baaninteractie koppelt de spin van de elektronen (of gaten) aan hun beweging rond de atoomkern. Door deze koppeling elektronen (of gaten) in beweging 'voelen' het elektrische veld van de kern als een effectief magnetisch veld, wat er vervolgens voor zorgt dat de elektronen (of gaten) twee tegengestelde spin-oriëntaties hebben met een energieverschil - een analogie van Zeeman-splitsing.

Maar dat is niet het hele verhaal:gaten hebben heel andere spin-eigenschappen dan elektronen. In tegenstelling tot elektronen, die spin 1/2 deeltjes zijn, gaten in halfgeleiders zijn spin 3/2 quasideeltjes. Dit spinverschil betekent dat gaten heel anders reageren op een elektrisch veld of een magnetisch veld.

Spin-baan interactie in gaten is veel sterker dan in elektronen, wat betekent dat het energieverschil tussen twee tegengestelde spinoriëntaties veel groter is en veel gevoeliger voor elektrische velden in gaten dan in elektronen. Dus, gaten maken volledig elektrische spinmanipulatie mogelijk, wat veelbelovend is voor ultralaag aangedreven spintransistors, hoge snelheid kwantumbits, en fouttolerante topologische kwantumbits.

In de studie, de onderzoekers demonstreerden een geheel nieuw mechanisme voor het elektrisch regelen van de spin van gaten in een kwantumput, gebruik makend van de ongewone spin 3/2 aard van holes. Dankzij de sterke spin-baan interactie, de onderzoekers toonden aan dat door alleen elektrische velden te gebruiken om het momentum van de gaten te vergroten, de Zeeman-splitsing kan met maar liefst 300% worden verbeterd.

De extreme afstembaarheid van de Zeeman-splitsing via elektrische velden opent nieuwe mogelijkheden voor toekomstige op kwantumspin gebaseerde apparaten, zoals spintransistors, spin-baan qubits, en kwantumlogische poorten. Het zal ook helpen bij het realiseren van Majorana-systemen in p-type supergeleidersystemen, waardoor men het systeem in een topologisch regime kan drijven onder een extern magnetisch veld zonder de supergeleiding te onderdrukken die nodig is om Majorana-excitaties te ondersteunen.

De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuwe methode voor het extraheren van de g-factor (kwantificering van Zeeman-splitsing) uit magnetoweerstandsoscillaties van tweedimensionale gaten, verbetering van conventionele methoden die falen voor tweedimensionale systemen met sterke spin-baaninteractie.

Eindelijk, het vermogen om de spin-baan interactie te beheersen is ook de sleutel tot het ontwikkelen van nieuwe topologische materialen, die momenteel bij FLEET worden onderzocht op hun potentieel om paden met ultralage weerstand voor elektrische stromen te bieden.

De studie Electrical Control of the Zeeman Spin Splitting in Two-dimensional Hole Systems is gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven vandaag, en werd geselecteerd als suggestie van de redactie, te zien in Natuurkunde .