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量子自旋现象

时间:2010-04-08 01:30:46  来源:  作者:

人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统,作为量子比特的开发方案,这使量子行为中的自旋与经典物理中的自旋的类比联系得更紧密,从而为科学的发展提供了又一个机遇。这是因为量子自旋揭示出经典物理概念天生的不足,从而为非引入三旋概念莫属。而要认识三旋,首先要了解“自旋电子”的应用与研究。

一、自旋电子
电子不仅具有电荷自由度,也具有自旋自由度。尽管人类在上个世纪二十年代就发现电子具有自旋,但是如何将这一自由度和半导体微电子工艺相结合,做成可供信息存储和数据传输的量子器件还是物理学界近些年才出现的研究热点。中国科学院物理研究所量子结构中心的张、王、薛、谢心澄等研究人员,从理论上构造了一个相互作用量子点模型,从而深化了量子点中的电子关联相互作用和自旋翻转散射对自旋隧穿输运影响的研究。但包括我国在内的许多国家对“自旋电子学”这一新兴的研究,仍是以陀螺模型为基础。这类量子点理论的自旋,虽然用到了球面的自旋图像,但因没有环面自旋的面旋、体旋、线旋等概念,他们把球量子自旋除用正转和反转描述外,还用球量子自旋轴的向上和向下来区别自旋。这实际是一种对球量子的面旋和体旋作的区别。如果三旋理论在环量子上还要用自旋轴的向上和向下来区别自旋,那就更复杂化了。

当然球量子自旋还不到非改不可的时候。所以他们的计算结果表明,自旋翻转散射模型中含有两个自旋简并局域能级的量子点和外部铁磁体通过隧穿相互作用耦合在一起,利用两个铁磁电极的内部磁化,可以系统地控制Kondo共振和关联导致的自旋能级劈裂。其直接的结果是,当铁磁电极的磁化方向平行排列时,线性电导谱中会出现两个自旋分离的共振峰,这种全新的自旋阀效应是由强关联和外部磁耦合的共同作用造成的。他们还考虑了量子点内的自旋磁豫效应对自旋输运的影响。结果表明,一方面自旋磁豫对自旋劈裂和自旋阀效应起破坏作用;另一方面,自旋磁豫为Kondo效应提供了新的共振通道,表现在局域态密度出现了三个Kondo共振峰,与通常的塞曼效应完全不同,它是外部磁耦合带来的新物理效应。
量子点激光技术是通过所谓的量子点来描述的,这种纳米尺径的晶体粒子实现产生的超高频脉冲新技术,与利用传统的半导体激光技术相比,具有更经济、耗电小且运行稳定等优点,在德国柏林技术大学固体物理研究所的科研小组已利用量子点激光技术,在实验中达到了每秒产生200亿次脉冲的速度,也就是20GHz的数据传输率,创造了数据传输的世界纪录。该实验的成功,为今后通过光纤网络在全球范围内实现数据的高速传输提供了可能。与此同时,中国科学院物理研究所王恩哥研究小组和意大利Genova大学、美国橡树林国家实验室的研究人员,共同发现了沉积的原子在生长中可以向上扩散,即原子可以从表面扩散到岛上去爬一种新的量子点形成机制。王恩哥等人在铝表面的同质外延生长中,首次在实验和理论上直接证明了这一原子的向上扩散运动。他们首先观察到在这一生长体系中,大的量子点和小的原子岛并存。
系统的研究发现这些具有特定小面的量子点是亚稳定的,它们只能在一个特殊的生长温度区域内,并只有当薄膜厚度超过一定值之后才能发生。这是用现有的生长理论所无法理解的。他们利用深入的密度泛函理论计算揭开了这个谜,即在这个生长过程中存在一个原子“真正”向上的扩散运动。这是因为在这个体系中,原子沿台阶边缘和跨越内角的向上扩散运动对应的势垒在一些情况下是负的。这是因为在低温下,一般而言,分子束外延技术往往会使物质表面上长出一些小的原子岛;而在高温时,岛上的沉积原子容易掉下来跑到表面上。但是以前的研究都忽略了一个过程:原子向上扩散,即原子从表面可以跑到岛上去。而这个新发现第一次向人们证明原子向上扩散可以形成一定晶向的量子点,展现出前人无法想象的一些新薄膜生长动力学现象。其次,也加深了人们对薄膜生长动力学的认识,同时利用这个“新”的原子运动规律会更好地控制薄膜的制备过程,丰富现有的材料体系。
但从三旋理论出发看这类动力学现象,这个新发现正是一种典型的下向线旋宏观量子现象,即类似池塘水面旋涡向下陷落又在四周升起的现象;而反之,锅心沸水向四周的翻滚对流;地球磁场北极出南极进的磁力线转动,则是一种典型的上向线旋宏观量子现象。而量子点联系三旋又联系量子计算机,这个中的道理是,类圈体的三旋即面旋、体旋、线旋不仅可以用作夸克的色动力学编码,而且也可以用作量子计算逻辑门的建造。因为类圈体的三旋根据排列组合和不相容原理,可构成三代62种自旋状态,并且为量子的波粒二相性能作更直观的说明:在类圈体上任意作一个标记(类似密度波),由于存在三种自旋,那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下,观察标记在时空中出现的次数是呈几率波的,更不用说它的质心有平动和转动的情况。这与量子行为同时处于多种状态且能同时处理它的所有不同状态是相通的。而这正是量子计算机开发的理论基础,并且能提高计算速度。

二、量子点的自旋
理解量子点的关键是要理解量子点的自旋。例如张和薛与美国Okalah大学等合作,研究了相互作用量子点在外部旋转磁场下的非平衡自旋输运性质,证明了量子点中相干自旋振荡可以产生自旋电流。研究发现,计入库仑关联相互作用后,近藤共振效应受外部进动磁场影响很大;

并当磁场的进动频率与塞曼分裂能级满足共振条件时,每个自旋近藤峰就会劈裂为两个自旋共振峰的叠加;在低温强耦合区,这种近藤型共隧穿过程对自旋电流的形成产生重要贡献。这为实验上实现自旋极化电流提供了一个重要途径,并从理论上构造的一个相互作用量子点模型。但当今世界物理学家们研究超弦理论,无一不在证明世界上一切复杂事物,其实都只不过是同一种要素、一种力、一种在10维超空间中蠕动的能量环的不同表现形式,即超弦理论和三旋理论理解的量子点已不是类似陀螺模型,而是以弦圈即量子类圈体模型弦圈为基础。把类圈体自旋用面旋、体旋、线旋来解构或建构,陀螺模型的自旋并不基本。因为实际人们对自旋、自转、转动等旋转概念的区分并不大;而这些概念又都有一个共同点,即可用对称性来判断。早在1959年,我们有人就注意到一种自然全息:锅心沸水向四周的翻滚对流;地球磁场北极出南极进的磁力线转动;池塘水面旋涡向下陷落又在四周升起的这类现象,如果把它们缩影抽象在一个点上,它类似粗实线段轴心转动再将两端接合的旋转。这种原始物理的认识加上对称概念,使我们对自旋、自转、转动有了语义学上的区分。即三旋理论认为,将闭合的弦(弦圈)称为类圈体,一维的弦圈,除了超弦理论所说的各种外在运动,还应有三旋理论所说的体旋——绕圈面内轴线的旋转,面旋——绕垂直于圈面的圈中心轴线的旋转,线旋——绕圈体内环状中心线的旋转这三种“内禀”运动。这里线旋的存在显然是以弦圈或类圈体在线的粗细尺度上存在卷缩维为前提的,否则“中心线”、“线旋”的概念都将没有意义。

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