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半导体自旋电子学简介
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中国科学院物理所薛其坤研究员在《2003科学发展报告》中撰写了一篇关于半导体自旋电子学的文章, 用较通俗的语言介绍了一个新的前沿领域的出现、发展及应用。 薛其坤研究员首先指出，半导体自旋电子学是随着科学技术的发展和人们认识能力提高必然出现的一个学科。在研究半导体中载流子、掺杂磁性原子以及原子核等自旋极化性质的基础上，通过对电子自旋态的产生、注入以及输运的控制，半导体将展示许多新颖的功能，由此导致了该学科的出现。 薛其坤研究员介绍了半导体自旋电子学的两个分支领域：一个是半导体磁电子学，它是利用磁性半导体材料或者磁性/半导体的复合材料，将磁性引入到半导体中来，由此可以研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等新的半导体器件，而且这些都可以集成到其他半导体器件和电路中。如果将光学、磁学和电学性质结合起来，还会产生自旋场效应晶体管、自旋发光二极管以及自旋共振隧穿器件等全新的多功能自旋器件。另一个领域是半导体量子自旋电子学，它主要是利用电子自旋的量子力学特性。比如说，许多非磁性半导体中的自旋相对于电子极化有比较长的相干时间，并且可以被光场或电场控制，所以在一个量子力学系统中自旋控制很容易实现。这种性质可以促进新的固体量子信息处理器件的发展，如T赫兹光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等等。 薛其坤研究员对自旋电子器件作了简单介绍分析。自旋电子器件可以分为电子自旋器件、光子自旋器件和量子自旋器件三类。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度更快、降低功率损耗以及集成密度高等优点，其发展依赖于对固体材料基本的自旋相互作用，以及半导体维度、缺陷和能带结构对其性质影响的深刻理解。目前自旋电子器件已经在计算机等有关领域得到应用，作者认为如果我们能够了解和控制半导体、半导体异质结以及铁磁体中的自旋自由度，发展高品质的自旋电子器件将具有巨大的潜力，甚至将可能发明出人们现今无法预期的新器件。 薛其坤研究员在文章最后指出，半导体自旋电子这个领域虽然发展非常快，但是距离真正利用半导体自旋自由度还有很长的路要走。他建议，为了更好的发展半导体自旋电子学，特别是量子自旋电子学，需要更宽领域科学家的参与和更广泛更积极的研究和发展规划，以便进一步拓展该学科的应用前景。 |
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