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       传统的电子产品依赖于对电荷的控制。最近，研究人员一直在探索一种被称为自旋电子学的新技术，它依赖于探测和控制粒子的自旋。利用这项技术有望研制出更高效、更强大的新器件。

       近日，澳大利亚拉筹伯大学的研究人员测量了电荷载子自旋与金刚石磁场的相互作用强度。研究结论表明金刚石材料具备应用于自旋电子器件的关键特性。金刚石之所以受到科学家的关注，是因为它比传统半导体材料更容易被加工和制造成自旋电子器件。传统量子器件基于多半导体薄层结构，这需要在超高真空状态下完成十分精密的制造过程。

       研究背景和原理

       金刚石是一种良好的绝缘体材料，但当暴露于氢等离子体环境中时，金刚石表面将会吸附氢原子并与其结合在一起。经氢化处理的金刚石在潮湿空气中会显示出导体的性质，这是因为在金刚石表面会形成一层薄薄的水膜，将金刚石内部的电子抽出。失去电子的金刚石表面会形成带正电荷的空穴，从而具有了导电性。

       经氢等离子体处理的金刚石表面

       研究人员发现这些空穴具有许多符合自旋电子学的特征，其中最重要的是一种被称为自旋轨道耦合的相对论效应，即电荷载子的自旋角动量与轨道角动量间的相互作用。如果这种耦合作用比较强，研究人员就可以利用电场来控制电荷载子的自旋。在之前的工作中，研究人员已经测量出操控金刚石表面空穴自旋所需的自旋-轨道耦合强度。他们还发现通过改变外部电场可以对耦合强度进行调节。

       在近期的实验中，研究人员测量了金刚石表面空穴与磁场的相互作用强度。在测量实验中，研究人员在低于4开尔文的温度下，施加了与金刚石表面平行的不同强度的恒定磁场，同时，在垂直方向上，还施加了一个稳定变化的磁场，通过测量金刚石电阻的变化，确定了朗德因子（g-因子）。这一数值有助于研究人员在未来利用磁场控制器件的自旋。

       意义

       研究人员指出，电荷载子的自旋与电场和磁场的耦合强度是自旋电子学的核心所在。得到了体系自旋-轨道耦合强度和朗德因子等关键参数，就可以实现金刚石导电表面自旋的电场或磁场调控。

       此外，金刚石是透明的，所以它还可以被集成到光学器件中，利用可见光或紫外光来进行操控。氮空位中心是金刚石晶体中常见的点缺陷结构，由晶格中取代碳原子的一个氮原子和相邻格点上的一个空位构成（如上图所示）。其独特的能级结构和光学性质使我们可以用光磁共振的方法操控其电子的自旋状态；该自旋态在室温下就具有很长的相干时间；同时，周围核自旋提供了丰富的超精细相互作用，可以组成多量子比特系统。这些性质使得氮-空位中心在量子计算、高空间分辨率的弱磁探测和温度探测等方面拥有巨大的潜在应用价值。