"Snurr" av elektroner (och hål) i halvledare har potentiella tillämpningar inom spintronik, spinnbaserad kvantberäkning, och topologiska system.

En partikels spinn är dess inneboende vinkelmoment.

I ett magnetfält, elektronernas eller hålens snurr orienteras antingen parallellt ('spin-up') eller anti-parallellt ('spin-down') mot fältriktningen-precis som en kompassnål.

Dessa parallella och antiparallella riktningar har olika energier, och det är denna energiskillnad (känd som Zeeman-splittring om den orsakas av ett magnetfält) som innehar nyckeln till spinnbaserad informationsbehandling.

I en tidning som publicerades i veckan, FLEET -forskare vid UNSW har visat en helt ny mekanism för elektrisk kontroll av hålens snurr i en kvantbrunn. Tidningen presenteras den här veckan i APS Physics .

Hål är kvasipartiklar, i princip 'saknade elektroner' - lite som bubblan i vattenpass, den försvunna stolen i ett spel med musikstolar, eller den saknade spelaren i en defensiv backlinje. Låter det lite esoteriskt? Väl, hälften av transistorerna i din bärbara dator eller iPhone växlar faktiskt med hjälp av positivt laddade "hål"-snarare än negativt laddade elektroner.

Var passar snurr i pusslet då? För att svara på detta, man måste zooma in i atombilden. I en atom, spinn-omloppsinteraktionen kopplar ihop elektronernas (eller hålen) till deras rörelse runt atomkärnan. På grund av denna koppling, elektroner (eller hål) i rörelse "känner" kärnans elektriska fält som ett effektivt magnetfält, som sedan får elektronerna (eller hålen) att ha två motsatta spinnorienteringar med en energiskillnad - en analogi av Zeemans delning.

Men det är inte hela historien:hål har mycket olika spinnegenskaper än elektroner. Till skillnad från elektroner, som är spinn 1/2 partiklar, hål i halvledare är snurr 3/2 kvasipartiklar. Denna snurrskillnad innebär att hål reagerar ganska olika på ett elektriskt fält eller ett magnetfält.

Spinn-omloppsinteraktion i hål är mycket starkare än i elektroner, vilket betyder att energiskillnaden mellan två motsatta spinnorienteringar är mycket större och mycket känsligare för elektriska fält i hål än i elektroner. Således, hål möjliggör helelektrisk spinnmanipulation vilket är mycket lovande för ultralågdrivna spinntransistorer, höghastighetskvantbitar, och feltoleranta topologiska kvantbitar.

I studien, forskarna visade en helt ny mekanism för att elektriskt kontrollera hålens snurr i en kvantbrunn, utnyttja den ovanliga snurr 3/2 karaktären av hål. Tack vare den starka spin-orbit-interaktionen, forskarna visade att genom att enbart använda elektriska fält för att öka hålens momentum, Zeeman -uppdelningen kan förbättras med så mycket som 300%.

Zeemans extrema avstämning via elektriska fält öppnar nya möjligheter för framtida kvantspinnbaserade enheter, såsom spinntransistorer, spin-orbit qubits, och kvantlogikportar. Det kommer också att hjälpa till att förverkliga Majorana-system i superledarsystem av p-typ, tillåter en att driva systemet in i en topologisk regim under ett externt magnetfält utan att undertrycka den supraledning som behövs för att stödja Majorana -excitationer.

Forskarna utvecklade också en ny metod för att extrahera g-faktorn (kvantifiera Zeeman-splittring) från magnetoresistansoscillationer av tvådimensionella hål, förbättring av konventionella metoder som misslyckas för tvådimensionella system med stark spin-orbit-interaktion.

Till sist, förmågan att kontrollera spin-orbit-interaktionen är också nyckeln till att utveckla nya topologiska material, som för närvarande forskas på FLEET för deras potential att tillhandahålla ultralåga motståndsvägar för elektriska strömmar.

Studien Electrical Control of Zeeman Spin Splitting in Two-dimensionale Hole Systems publicerades i Fysiska granskningsbrev i dag, och valdes ut som ett redaktörsförslag, med i Fysik .