物理学家将电子自旋转移为光子

由洛林大学 Jean Lamour 研究所的 Yuan Lu 博士领导的物理学家团队利用电脉冲将磁信息转化为偏振光信号，这一发现可能会彻底改变长距离光通信，包括地球和火星之间的光通信。这一突破涉及自旋电子学领域，旨在操纵电子自旋以存储和处理信息。

自旋电子学已成功应用于磁性计算机硬盘驱动器，信息由电子自旋及其代表的磁化方向来表示。

铁磁体(例如铁或钴)具有数量不等的电子，其自旋方向要么沿着磁化轴，要么与磁化轴相反。

自旋沿磁化方向的电子平稳地穿过铁磁体，而具有相反自旋方向的电子则被弹跳。这代表二进制信息，0 和 1。

由此产生的电阻变化是自旋电子器件的关键原理，其磁状态(可以被视为存储的信息)会无限期地保持。

正如冰箱磁铁不需要电力就能粘在门上一样，自旋电子设备所需的电力比传统电子设备少得多。

然而，就像把鱼从水中取出一样，当电子从铁磁体中取出时，自旋信息很快就会丢失，并且无法传播很远。

通过利用圆偏振光(也称为螺旋性)作为另一种自旋载流子，可以克服这一主要限制。

正如几个世纪前人类使用信鸽将书面通信传输得比步行更远、更快一样，诀窍是将电子自旋转移到照片，即光量子。

自旋轨道耦合的存在也导致了铁磁体外部自旋信息的丢失，使得这种传输成为可能。

关键的缺失环节是电调制磁化强度，从而改变发射光的螺旋度。

“自旋LED的概念最初是在上世纪末提出的，”卢博士说。

“然而，为了过渡到实际应用，它必须满足三个关键标准：室温下运行、不需要磁场以及电气控制能力。”

“经过在这一领域超过 15 年的专注工作，我们的协作团队已成功克服了所有障碍。”

在他们的研究中，卢博士和同事成功地利用自旋轨道扭矩通过电脉冲切换了自旋注入器的磁化强度。

电子的自旋迅速转换为发射光子的螺旋度中包含的信息，从而实现磁化动力学与光子技术的无缝集成。

这种电控自旋光子转换现已在发光二极管的电致发光中实现。

未来，通过半导体激光二极管(即所谓的自旋激光器)的实现，这种高效的信息编码可以为行星际距离上的快速通信铺平道路，因为光的偏振可以在空间传播中守恒，从而有可能使其成为地球和火星之间最快的通信方式。

它还将极大有利于地球上各种先进技术的发展，例如光量子通信和计算、人工智能的神经拟态计算、用于数据中心或光保真应用的超快高效光发射机。

鲁尔大学教授 Nils Gerhardt 表示：“自旋轨道扭矩自旋注入器的实现是决定性的一步，它将极大地推动下一代光通信和量子技术的超快、节能自旋激光器的开发。”

该团队的工作发表在《自然》杂志上。