来源：芝加哥大学（University of Chicago）

摘要：研究人员已经朝着核自旋电子技术迈出了关键的一步。他们采用实用、方便、廉价的高性能材料，以可控的方式使核自旋自成线性。

 

碳化硅晶片上的光极化硅核自旋。该图形象的表示完整晶格内一个原子的核自旋。

图片来源：Peter Allen

采用原子核“自旋”（或者说是磁化）的电子学技术来储存和处理信息，这在今天的电子器件上获得了巨大的收益。但也带来了挑战。

目前，芝加哥大学分子工程研究所（Institute for Molecular Engineering，IME）研究人员已经朝核自旋技术迈出了关键一步。他们采用实用、方便、廉价的高性能材料，以可控的方式使核自旋自成线性。

“我们的研究结果可能会导致如超敏感磁共振成像、核陀螺、甚至是量子计算机等新技术。”论文第一作者Abram Falk说。该论文于6月17日以封面形式发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。David Awschalom的IME研究小组的Falk和同事发明了这样一种采用红外光排列自旋的新技术。他们采用重要的工业半导体碳化硅（SiC）作为研究对象。

核自旋的取向往往是随机的。将其以可控的方式进行排列通常是很复杂的，几乎没有成功可能。论文合作者之一Paul Klimov解释说原因在于“单个核磁矩很小，比电子的磁矩小将近1000倍。”

如此小的磁矩以为着原子或电子周围产生的一丁点热量都会使核自旋方向发生改变。即使是将少量的自旋排列整齐也需要极端的实验条件，如高磁场和低温（-238华氏度及以下）。例如，即使在强磁场下，磁共振成像（MRI）中1百万个核自旋也只有1~10个排列整齐且可见。

利用这种技术，Awschalom及其同事排列了SiC原子核中超过99%的自旋。同样重要的是，该技术可在室温下进行——不需要超低温或强磁场。相反的，研究团队使用光来“冷却”原子核。

原子核本身不与光发生相互作用，而SiC晶体中的某些缺陷（或称为“色心”）会与光发生反应。这些色心的电子自旋可由光来冷却和排列，这种排列可以转移到附近的原子核上。研究团队尝试在不进行光冷却的情况下实现相同程度的自旋排列，他们不得不将SiC晶片物理降温至绝对零度以上百万分之五度（即-459.6华氏度）。

室温下SiC自旋对齐朝现实自旋电子器件迈出了重要的一步，自旋电子学和量子信息Liew Family教授Awschalom如是说。所用的材料是高功率电子和光电子工业中重要的半导体。复杂的生长及处理能力已经成熟。因此，利用IME技术的核自旋电子器件雏形可能在不久的将来被制出。Awschalom说，“采用核自旋的晶圆级量子技术可能会比我们预期出现得更快。”

该研究获得美国空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research）、国家科学基金会（National Science Foundation）、Knut & Alice Wallenberg基金会（Knut & Alice Wallenberg Foundation）、匈牙利科学院（Hungarian Academy of Sciences）以及瑞典国家超级计算机中心（Sweden's National Supercomputer Center）的资助。

 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮