博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学

第一章 研究背景介绍
磁 p − n 结 [59–62]是让结的一端或者两端具有磁性,然后注入自旋极化,该极化的
方向和结的磁化方向相同时,通过的电流较大,相反时电流较小。
磁双极晶体管 (magnetic dipolar transistor) [63–68]是将两个磁 p − n 结连接在一起
来,它可以实现例如电流放大等多种功能。
然而,在具体实现过程中,人们先后克服了很多困难。实现了有效的自旋极化注
入,尤其是电学方法注入,注入效率甚至可以达到 90 % [69],见1.3.1节。得到了很长的
自旋弛豫时间,在一定条件下可以达到上百 ns [70–72],见1.6.5节。实现了远距离的自
旋输运,使得自旋信号最远可以扩散到 100 µm 以外 [73]。发明了很多自旋极化探测手
段,见1.4节。较好地处理了自旋注入时材料界面处的影响,如隧穿注入 [74, 75]和热电
子注入 [46–49, 76–79],见1.3.1节。然而,以最典型的 Datta-Das SFET 为例,数个实验
组在这方面的多次尝试最终都以失败告终 [80–82],由此可见第二类自旋电子学的研究
还有很长的路要走。
图 1-2: 由电极控制的量子点阵列逻辑门示意图。阴影部分的电极约束电子形成量子点,并在平
行于平面方向上加 ac 磁场来实现对单个量子点的操作。摘自文献 [12]。
第三类自旋电子学器件与前两类器件的最大区别在于它试图通过对单个或者少数
几个电子自旋量子态的操控来实现量子计算和量子通信。很多双量子态系统都可以用
来做量子位 (qubit),如左旋和右旋圆偏振的光子、向上和向下的孤立 1/2 自旋,他们
都是本征的两态系统,是量子位最自然的选择。在固体中的自旋量子位的方案有很多
种,例如 Loss 和 DiVincenzo [83]提出的含有单电子或少量电子的量子点 (quantum dot,
QD) 体系方案,Kane [84]提出的半导体中孤立施主杂质自旋方案,激子自旋方案 [85]等
等。图1-2给出了由电极控制的量子点阵列逻辑门示意图 [12],通过给电极施加不同的偏
压可以将电子压入磁化层或者高 g 因子材料层并产生可调控的塞曼劈裂。这样每个量
子点就是一个量子位,其对应的塞曼劈裂也不同,因此可以通过相应频率的电子自旋共
振 (electron spin resonance, ESR) 脉冲信号来完成对单个量子点的操作。另外,通过改
变电极偏压来降低量子点之间的势垒,可以改变他们之间的交换耦合,从而实现量子门
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