Os 'spins' de elétrons (e buracos) em semicondutores têm aplicações potenciais em spintrônica, computação quântica baseada em spin, e sistemas topológicos.

O spin de uma partícula é seu momento angular intrínseco.

Em um campo magnético, os spins dos elétrons ou buracos tornam-se orientados paralelamente ('spin-up') ou antiparalelo ('spin-down') à direção do campo - exatamente como a agulha de uma bússola.

Essas orientações paralelas e anti-paralelas têm energias diferentes, e é essa diferença de energia (conhecida como divisão Zeeman se causada por um campo magnético) que contém a chave para o processamento de informações baseado no spin.

Em um artigo publicado esta semana, Pesquisadores da FLEET na UNSW demonstraram um mecanismo inteiramente novo para controlar eletricamente o spin de buracos em um poço quântico. O jornal é apresentado esta semana em Física APS .

Buracos são quasipartículas, basicamente 'elétrons ausentes' - um pouco como a bolha em um nível de espírito, a cadeira que falta em um jogo de cadeiras musicais, ou o jogador ausente em uma linha defensiva. Parece um pouco esotérico? Nós vamos, metade dos transistores em seu laptop ou iPhone realmente mudam usando o movimento de 'buracos' carregados positivamente - em vez de elétrons carregados negativamente.

Onde a rotação se encaixa no quebra-cabeça, então? Para responder a isso, é preciso ampliar a imagem atômica. Em um átomo, a interação spin-órbita acopla o spin dos elétrons (ou buracos) ao seu movimento em torno do núcleo do átomo. Por causa desse acoplamento, elétrons (ou buracos) em movimento 'sentem' o campo elétrico do núcleo como um campo magnético efetivo, que então faz com que os elétrons (ou lacunas) tenham duas orientações de spin opostas com uma diferença de energia - uma analogia da divisão de Zeeman.

Mas essa não é toda a história:os buracos têm propriedades de spin muito diferentes das dos elétrons. Ao contrário dos elétrons, que são partículas de spin 1/2, buracos em semicondutores são quasipartículas de spin 3/2. Essa diferença de spin significa que os buracos reagem de maneira bastante diferente a um campo elétrico ou a um campo magnético.

A interação spin-órbita em buracos é muito mais forte do que em elétrons, o que significa que a diferença de energia entre duas orientações de spin opostas é muito maior e muito mais sensível a campos elétricos em buracos do que em elétrons. Assim, buracos permitem a manipulação de spin totalmente elétrica, o que é muito promissor para transistores de spin de potência ultrabaixa, bits quânticos de alta velocidade, e bits quânticos topológicos tolerantes a falhas.

No estudo, os pesquisadores demonstraram um mecanismo inteiramente novo para controlar eletricamente o spin dos buracos em um poço quântico, explorando a natureza incomum de spin 3/2 dos buracos. Graças à forte interação spin-órbita, os pesquisadores mostraram que, usando apenas campos elétricos para aumentar o momento dos furos, a divisão Zeeman pode ser aumentada em até 300%.

A extrema sintonia da divisão Zeeman por meio de campos elétricos abre novas possibilidades para futuros dispositivos baseados em spin quântico, como transistores de spin, qubits de rotação-órbita, e portas lógicas quânticas. Também ajudará na realização de sistemas Majorana em sistemas supercondutores do tipo p, permitindo conduzir o sistema a um regime topológico sob um campo magnético externo sem suprimir a supercondutividade necessária para suportar as excitações de Majorana.

Os pesquisadores também desenvolveram um novo método para extrair o fator g (quantificar a divisão de Zeeman) das oscilações de magnetorresistência de orifícios bidimensionais, melhorar os métodos convencionais que falham para sistemas bidimensionais com forte interação spin-órbita.

Finalmente, a capacidade de controlar a interação spin-órbita também é fundamental para o desenvolvimento de novos materiais topológicos, que estão atualmente sendo pesquisados ​​na FLEET por seu potencial de fornecer caminhos de resistência ultrabaixa para correntes elétricas.

O estudo Controle Elétrico da Divisão de Spin Zeeman em Sistemas de Buracos Bidimensionais foi publicado em Cartas de revisão física hoje, e foi selecionado como uma sugestão dos editores, apresentado em Física .