上海技物所等利用“香蕉球”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)太赫茲高頻信號(hào)傳遞

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員王林與研究員陳效雙、陸衛(wèi)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合東華大學(xué)、意大利拉奎拉大學(xué)，通過精確操控第二類狄拉克費(fèi)米子態(tài)誘導(dǎo)布洛赫自旋電子單向散射，實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)傳遞，相關(guān)研究成果以High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions（DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w）為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

微電子芯片類似于一個(gè)“足球場(chǎng)”，如果把電子比喻成足球，信息交換主要依賴于電子點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的快速傳輸、存儲(chǔ)與處理，但電子受到阻礙會(huì)產(chǎn)生功耗、熱耗散等。隨著信息技術(shù)發(fā)展，預(yù)計(jì)6G智能應(yīng)用場(chǎng)景所需的高數(shù)據(jù)速率將進(jìn)入太比特每秒（Tbps）的水平。喜歡看足球的人知道，“香蕉球”能夠一邊飛行一邊自轉(zhuǎn)，巧妙繞過人墻，以刁鉆角度入網(wǎng)。如果能夠改變電子的直線傳輸方式，借助于類似“香蕉球”的電子自旋地傳遞，那么，電子傳輸有可能繞過障礙物實(shí)現(xiàn)電子能量轉(zhuǎn)化，將在低功耗和高能效水平下展現(xiàn)出更多的信息存儲(chǔ)、更快的信息交互和處理。

研究人員通過自旋極化角分辨光電子能譜（spin-ARPES）實(shí)驗(yàn)給出電子在自旋（s）、能量（E）、動(dòng)量（k）三個(gè)維度詳細(xì)信息，在NiTe2材料表面觀察到自旋態(tài)電子的分布。當(dāng)交變的電磁波作用在這些自旋的電子后，受電磁力的作用自旋電子會(huì)產(chǎn)生的周期性振蕩，形成手性Bloch電子態(tài)。這些電子好比于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上“高速旋轉(zhuǎn)的球”，當(dāng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相反且自旋方向也相反的電子遇到晶格散射場(chǎng)力作用時(shí)，每個(gè)自旋電子均會(huì)出現(xiàn)類似“香蕉球”一樣地反射并朝著同一個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即在宏觀上產(chǎn)生橫向方向上的直流電。即使在高于太赫茲（1THz=1012Hz）的頻率下，依然顯示出高達(dá)251 mA/W的室溫太赫茲靈敏特性，實(shí)現(xiàn)寬波段工作、較高的動(dòng)態(tài)范圍和高分辨太赫茲成像通訊功能。這種自旋電子的“香蕉球”運(yùn)動(dòng)改變了傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳遞方式，通過光場(chǎng)同時(shí)操縱電子自旋和電荷來進(jìn)行超高速率和極低功耗的信息處理，為探索新型太赫茲光電物理和高靈敏度應(yīng)用提供新思路。

天線集成高頻太赫茲整流器示意圖

上海技物所和東華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生張力波為論文的第一作者，王林、陳效雙與意大利拉奎拉大學(xué)教授Antonio Politano、東華大學(xué)教授邢懷中為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然基金委員會(huì)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)及“啟明星”人才計(jì)劃等的支持。

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