几十年来，科学家们一直在探索自旋电子学，它操纵电子自旋，理论上比传统电子设备运行得更快，消耗的能量更少。一项新的研究发现，现在研究人员发现激光可以在半导体材料薄层中产生稳定的电子自旋模式，这一发现可能有助于实现先进的基于自旋的存储器和计算。
人们可以想象一个电子的自旋，它的旋转轴指向上或下，类似于指向北或南的罗盘针。正如电荷的存在或不存在可以表示等于 1 或 0 的位一样，向上或向下的自旋也可以这样做。
翻转自旋以改变一点比移动电荷需要更少的时间和精力。这意味着自旋电子设备理论上比传统的电子设备使用更少的功率。此外，即使在关机状态下，他们也可以保留数据。自旋已经用于存储设备，例如磁阻 RAM (MRAM)。
材料中的电子自旋可以通过磁场或光来排列。现在，日本的科学家揭示，激光可以在半导体薄膜中产生复杂稳定的电子自旋模式，称为“自旋纹理” 。这些自旋纹理可能有助于实现自旋电子学的圣杯——一种超高效的自旋晶体管。
新发现基于光如何具有动量，就像在空间中移动的物理物体一样，即使光没有质量。这意味着照射在物体上的光可以产生力。光的线性动量向光移动的方向提供推力，而光的角动量施加扭矩。
一条光线可以拥有两种不同的角动量。一束光的自旋角动量可以使它照射到的物体原地旋转，而它的轨道角动量可以使物体绕着光线的中心旋转。
仅携带自旋角动量的光束是圆偏振的。这意味着它的电场和磁场在空间中波动的方式沿着光线的轴旋转，就像螺丝上的螺纹一样。
相比之下，一束只携带轨道角动量的光束类似于一个漩涡，在空间中以螺旋状运动，就像开瓶器一样。传统光束在其中心最亮，而涡旋光束具有环形形状，但在中心是暗的，这是由于构成涡旋光束的一些波会如何相互干扰。
在这项新研究中，研究人员对同时携带自旋和轨道角动量的激光束进行了实验。在这些“矢量涡旋光束”中，电场和磁场围绕每个光束的暗中心旋转变化。
科学家们发现，矢量涡旋光束可以在20 纳米深的 砷化镓量子阱内留下持久的螺旋形自旋纹理。矢量涡旋光束可以在大约 10 皮秒内生成自旋纹理，大约是传统激光的 10 倍。
涡旋光束的一个潜在的非常有用的特性是，如果它们都具有不同的扭曲模式，它们就不会相互干扰。在电信领域，这一事实可能会让理论上无限数量的涡旋光束相互叠加，同时承载无限数量的数据流。该研究的主要作者、日本东北大学的物理学家 Jun Ishihara 说，这种多路复用能力在自旋电子学方面也可能很有用。
Ishihara 警告说，这些初步实验是在 -266.15 °C 下进行的。展望未来，“预见的主要障碍是如何实现室温操作，”他说。
石原和他的同事在 3 月 24 日的《物理评论快报》杂志上详细介绍了他们的发现。
