在年代末期发现巨大的磁阻以及在金属中观察到自旋注入和检测之后，一个名为“自旋电子学”（spintronics）的研究领域应运而生，致力于制造利用电子自旋的实用设备。基于半导体的自旋电子系统获得了特别的研究兴趣，因为半导体可以集成在现代电子设备中，从而提高了设备的效率和存储容量。但是，为了制造有用的自旋电子器件，研究人员需要能够以高水平的精度控制和检测电子的自旋状态。控制电子自旋电流的一种方法是称为“自旋阀”（spinvalve）的设备，该设备通常由夹在铁磁材料之间的非磁性材料组成。这种材料配置允许具有一个自旋的电子传播通过器件，而相反的自旋被反射或散射掉。发生这种情况是因为自旋传播取决于铁磁体中磁矩的对准。因此，产生“自旋极化电流”。从理论上讲，这是一种电子流，所有电子都处于设定的自旋状态（所有自旋向上或全部自旋向下）。自旋阀之所以起作用，是因为电子（和其他粒子）的量子特性称为自旋。由于铁磁体中费米能量的电子态密度分裂，因此存在净自旋极化。因此，流过铁磁体的电流既带电又带自旋分量。相比之下，普通金属在上下旋转时具有相等数量的电子，因此在平衡情况下，此类材料可以维持零自旋分量的充电电流。但是，通过将电流从铁磁体传递到普通金属中，可以传递自旋。因此，普通金属可以在单独的铁磁体之间传递自旋，但要经受足够长的时间自旋扩散长度。但是，这些类型的自旋阀要么效率不高，要么需要非常大的极化磁场，这都对实验造成了严格的限制-例如，涉及对磁场敏感的材料系统的实验。为了克服这个问题并获得高自旋极化电流，研究人员正在寻找使用半导体材料制造自旋阀的替代方法。瑞士和意大利的研究人员已经开发出一种方法，该方法无需已知大的外部磁场即可产生具有已知量子自旋的电子电流。这样可以开发与超导电子元件兼容的设备，从而为下一代高效电子设备铺平道路。如图所示的自旋阀装置：纳米线在源极和漏极之间（均以金表示），纳米线上两个量子点的位置用虚线椭圆表示。棕色的条是纳米磁铁，白色的箭头表示它们的磁化强度。在此示例中，自旋向上的电子可以穿越纳米线，而自旋向下的电子则不能。该团队通过电定义两个区域来创建量子点，纳米线中的电子被限制在所有三个空间方向上。然后，他们采用铁磁侧栅在每个点上产生小的局部磁场。这种基于门的配置意味着仅需40mT的很小的磁场即可获得很高的效率。该设备通过使用第一个点生成自旋极化的隧道电流进行操作，然后由第二个点进行检测。通过以平行或反平行方式对铁磁分裂栅进行磁化，研究人员可以确定某种自旋的电子是否可以穿过器件的每个部分。可以使用铁磁侧栅极控制具有自旋的电子穿过两个点的概率，当它们对齐时，允许自旋极化电流流过，如果反平行，则根本没有电流流过。研究人员能够通过试验不同的施加场和栅极电压来“调整”器件。他们能够达到很高的自旋极化效率，并且有可能达到％的理论极限。这种自旋阀在磁场可能对材料特性产生剧烈影响的应用中非常有用，例如抑制超导性或改变电子能带结构。在如此小的磁场下操纵电子自旋可能使研究人员能够开发新的量子技术，该技术利用基于自旋的量子现象，例如纠缠和拓扑超导体中马约拉那费米子的确证，并有助于对新的尚未探索的物理学进行研究。该研究成果论文发表在最近的《自然-通信物理》上。参考：Adoublequantumdotspinvalve.nature.