自旋微波激射器

自旋電子學就是通過操控電子的自旋而非電荷來得到性能更為優越的電子學。

基本簡介

大多數雷射工作在紅外和可見光波段，而世界上第一個雷射器（Laser）誕生於1954年則是工作在微波波段，確切地說是微波激射器（Maser）。在即將出版的《物理學評論快報》中，荷蘭的研究人員提出了一個利用電子自旋產生微波激射的新方案。新方案提供了一種可以將微波激射器縮小到微電子尺度的簡便方法，這也將成為自旋電子學中的新套用，所謂自旋電子學就是通過操控電子的自旋而非電荷來得到性能更為優越的電子學。

傳統的電子學

是通過利用電子的電荷將信息編碼成二進制信號0或是1，來傳遞信息。而自旋電子學則是基於電子的自旋，相對於參考磁場自旋是向上或是向下來傳遞信息。

荷蘭格羅寧根大學（University of Groningen）的Steven Watts聲稱：雖然有一些非常成功的基於自旋電子學開發的器件已經投入使用，但是現在還沒有一整套新器件的方案。整合在晶片上的微波放大器通常是和微波激射器相關的。而微波激射器必須要能夠自激勵（Self-Sustain）。目前使用的微波激射器或者太大，或者需要冷卻到液氦溫度才能工作。

在傳統的雷射器中，能量被輸入到氣體或是固體原子中從而將它們激發到高能態。然後這些原子通過輻射光子回到基態，輻射出的光子可以進一步激發其它的原子，再一次促使輻射。整個系統能夠成為一個光波的自激勵放大器，即所謂雷射器。對於雷射器而言，必須有足夠的能量被輸入到系統中並產生粒子數反轉（Population Inversion）：也就是處於激發態（Excited State）的原子數多於處於基態（Ground State）的原子數。

Watts和他在格羅寧根的同事Bart van Wees提出利用類似三明治的三層材料組合：頂層是鐵磁材料（FM）比如鐵；底層是順磁材料（PM）比如鋁；中間是一層薄薄的絕緣材料（I），就能夠製造出微波激射器。外加一個方向向下的磁場就可以產生兩個能級：自旋朝下的基態和自旋朝上的激發態。在微波輻射的照射下電子可以被激發到較高的能級，即自旋向上的狀態。

但是輸入的微波不足以產生足夠多的激發電子以得到產生微波激射所需要的粒子數反轉。於是研究人員們建議用從鐵磁體流向順磁體的“自旋流”（電子自旋傾向於某一特定方向的電子流）來補充激發電子數。這個小組通過計算發現，在這種情形下順磁體內會擁有足夠產生微波激射的激發電子，同時這種三明治材料會輻射出放大了的相干微波輻射。

維吉尼亞大學的Stuart Wolf認為這個方案的物理思想非常有意思，但是目前還不清楚這種微波激射器可能會有哪些實際的套用。Watts也同意這種觀點，認為“自旋微波激射器”（Spin MASER）只是解決問題的一個可能方案，他希望這種晶片尺寸的微波激射器在將來會有用武之地，因為微波已經成為許多電子器件的一部分，比如說行動電話