Gli "spin" degli elettroni (e delle lacune) nei semiconduttori hanno potenziali applicazioni nella spintronica, calcolo quantistico basato su spin, e sistemi topologici.

Lo spin di una particella è il suo momento angolare intrinseco.

In un campo magnetico, gli spin di elettroni o lacune diventano paralleli ("spin-up") o antiparalleli ("spin-down") alla direzione del campo, proprio come l'ago di una bussola.

Questi orientamenti paralleli e antiparalleli hanno energie diverse, ed è questa differenza di energia (nota come scissione di Zeeman se causata da un campo magnetico) che contiene la chiave per l'elaborazione delle informazioni basata sullo spin.

In un articolo pubblicato questa settimana, I ricercatori FLEET dell'UNSW hanno dimostrato un meccanismo completamente nuovo per controllare elettricamente lo spin dei buchi in un pozzo quantistico. Il giornale è presente questa settimana in Fisica APS .

I buchi sono quasiparticelle, fondamentalmente "elettroni mancanti" - un po' come la bolla in una livella a bolla, la sedia mancante in un gioco di sedie musicali, o il giocatore mancante in una linea difensiva. Suona un po' esoterico? Bene, metà dei transistor del tuo laptop o iPhone cambia effettivamente utilizzando il movimento di "buchi" caricati positivamente, piuttosto che elettroni caricati negativamente.

Dove si inserisce lo spin nel puzzle allora? Per rispondere a questo, bisogna ingrandire l'immagine atomica. In un atomo, l'interazione spin-orbita accoppia lo spin degli elettroni (o dei buchi) al loro movimento attorno al nucleo dell'atomo. A causa di questo accoppiamento, gli elettroni (o lacune) in movimento 'percepiscono' il campo elettrico del nucleo come un campo magnetico effettivo, che quindi fa sì che gli elettroni (o lacune) abbiano due orientamenti di spin opposti con una differenza di energia - un'analogia della scissione di Zeeman.

Ma questa non è tutta la storia:i buchi hanno proprietà di spin molto diverse dagli elettroni. A differenza degli elettroni, che sono particelle di spin 1/2, i buchi nei semiconduttori sono quasiparticelle con spin 3/2. Questa differenza di spin significa che i fori reagiscono in modo molto diverso a un campo elettrico o magnetico.

L'interazione spin-orbita nei fori è molto più forte che negli elettroni, il che significa che la differenza di energia tra due orientamenti di spin opposti è molto più grande e molto più sensibile ai campi elettrici nei fori che negli elettroni. Così, i fori consentono la manipolazione dello spin completamente elettrica che è molto promettente per i transistor di spin a bassissima potenza, bit quantistici ad alta velocità, e bit quantistici topologici fault-tolerant.

Nello studio, i ricercatori hanno dimostrato un meccanismo completamente nuovo per controllare elettricamente lo spin dei buchi in un pozzo quantistico, sfruttando l'insolita natura di spin 3/2 delle buche. Grazie alla forte interazione spin-orbita, i ricercatori hanno dimostrato che utilizzando esclusivamente campi elettrici per aumentare lo slancio dei buchi, la scissione di Zeeman potrebbe essere aumentata fino al 300%.

L'estrema sintonizzabilità della scissione di Zeeman tramite campi elettrici apre nuove possibilità per futuri dispositivi basati su spin quantistico, come gli spin transistor, qubit spin-orbita, e porte logiche quantistiche. Aiuterà anche a realizzare sistemi Majorana in sistemi superconduttori di tipo p, permettendo di guidare il sistema in un regime topologico sotto un campo magnetico esterno senza sopprimere la superconduttività necessaria per supportare le eccitazioni di Majorana.

I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo metodo per estrarre il fattore g (che quantifica la scissione di Zeeman) dalle oscillazioni di magnetoresistenza di fori bidimensionali, migliorare i metodi convenzionali che falliscono per i sistemi bidimensionali con una forte interazione spin-orbita.

Finalmente, la capacità di controllare l'interazione spin-orbita è anche la chiave per lo sviluppo di nuovi materiali topologici, che sono attualmente oggetto di ricerca presso FLEET per il loro potenziale di fornire percorsi di resistenza ultra-bassa per le correnti elettriche.

Lo studio Electrical Control of the Zeeman Spin Splitting in Two-dimensional Hole Systems è stato pubblicato su Lettere di revisione fisica oggi, ed è stato selezionato come suggerimento della redazione, in primo piano Fisica .