“星际畅聊”来了！电子开启光通信，量子技术领航远程快速通讯

科学家们最近通过使用电脉冲将磁信息成功转换为偏振光信号，开启了一项革命性的量子技术。这一进展预示着未来包括地球与火星间长距离星际光通信在内的通信方式将发生翻天覆地的变化。

这项研究成果于3月27日在《自然》杂志上发表。研究聚焦于自旋电子学领域，这是一个致力于通过操控电子的自旋来实现信息存储和处理的领域。此次的科学突破不仅展现了量子技术的前沿探索，还为未来的星际通信技术铺开了崭新的道路。

自旋电子学技术，已经在磁性计算机硬盘中取得了显著的应用成果，其核心在于利用电子自旋和磁化方向来表征信息。

在铁磁材料中，如铁或钴，电子的数量不等，且它们的自旋方向不同：有些电子的自旋与磁化轴同向，而另一些则与之相反。在铁磁体中，与磁化轴同向的电子能够顺畅移动，但逆磁化轴自旋的电子则会遭受反弹。这种现象实现了二进制信息的编码——即0和1。

自旋电子设备的关键原理在于由此产生的电阻变化，其磁性状态相当于存储的信息，并能长期保持不变。正如冰箱磁铁能够在无需外部电力的情况下持续吸附在门上一样，自旋电子器件所需的能源也远少于传统电子器件。

然而，一个挑战是，当电子从铁磁体中释放时，其自旋信息很快就会散失，无法进行远距离传输。通过使用光的圆偏振（也称为螺旋度）作为一种新的自旋载体，可以有效地解决这一限制。

这种技术变革就像几个世纪前人们利用信鸽进行比步行更远、更快的书面通信一样重要。关键在于将电子自旋有效地转移到光量子领域，从而实现高效的信息传递。

自旋LED有望取代现有存储器，一种前沿科技，被寄予厚望以取代目前的存储解决方案。其最大的特点在于，自旋编码的信息通过光信号传输尤为高效，这对光子学技术提出了新的优化挑战。

最近的一项研究成果表明，研究人员已经能够通过电脉冲将自旋信息从电子转移至光子——构成光的基本粒子，实现了信息的高速远距离传输。这一方法突破了三大技术瓶颈：它能够在室温下操作，无需外部磁场，并具备电气控制能力，从而为超快通信和量子技术等领域带来了新的可能性。

切换光的偏振。当电子与空位（电子的正对应体）相互作用时，被称为量子点的微小晶体就会发光。此次实验开发出了一种巧妙的方法来切换发射光的圆偏振（其电磁场的旋转方向；向右或向左），这种偏振与电子的固有角动量（自旋）（向上或向下）相关联。a）作者在半导体材料中嵌入了一层量子点，并通过一个旨在控制电子自旋方向的通道将电子注入该材料。电流脉冲将具有相反自旋的电子分隔开来，这就产生了改变通道磁化的效果，从而使注入电子的自旋极化；b）改变电流方向会使磁化反转，从而使注入电子的自旋极化反转

“数十年来，我们梦想着在室温条件下超越传统磁阻存储和单一信息存储的自旋电子器件。”纽约州立大学布法罗分校物理学特聘教授伊戈尔·祖蒂奇（Igor Zutic）这样评价此次发现。他表示：“随着这个团队的研究成果，我们的梦想已成现实。”

伊戈尔·祖蒂奇教授和他在纽约州立大学布法罗分校（UB）的团队得到了美国国家科学基金会的电子、光子和磁性器件（EPMD）项目以及美国能源部的基础能源科学（BES）项目的支持。

领导这项研究的是位于法国的让-拉莫尔研究所（Jean Lamour Institute），它是法国国家科学研究中心（CNRS）与洛林大学（University of Lorraine）的合作机构。此外，还有来自法国、德国、日本、中国和美国的大学和研究所的专家参与了这一研究项目。

自旋轨道耦合——一种在铁磁体外自旋信息流失的关键机制，现已成为数据传输的新途径。转变点在于通过电控方式调制磁化，进而改变发出光的螺旋度。

“自旋发光二极管的构想最初在上世纪末提出。要使其成为现实，我们面临三大挑战：实现室温操作、无需外部磁场并具备电气控制能力。”法国国家科学研究中心（CNRS）让-拉莫尔研究所（Jean Lamour Institute）的高级研究员Yuan Lu如是说。他补充道：“经过超过15年的持续努力，我们的国际合作团队终于攻克了这些难题。”

研究团队通过自旋轨道矩（spin-orbit torque）的应用，成功地利用电脉冲切换了自旋注入器（spin injector）的磁化状态。如此一来，电子自旋迅速转化为光子螺旋度中的信息，实现了磁化动力学与光子技术的无缝结合。

目前，这种电控自旋至光子转换已在发光二极管的电致发光实验中得到应用。未来，通过将这种高效的信息编码技术应用于半导体激光二极管（即“自旋激光器”）中，不仅可为星际间的快速通信铺路——特别是在保持光偏振不变的空间传播中，还有可能成为地球与火星间最快速的通信手段。

此外，它还将极大推进地球上多种先进技术的发展，包括光量子通信和计算、用于人工智能的神经形态计算、以及用于数据中心或光保真（LiFi）应用的超快高效光发射器。

“实现自旋轨道力矩自旋注入的突破，是推动下一代超快、高能效光通信和量子技术中的自旋激光器发展的关键。”波鸿鲁尔大学光子学和太赫兹技术教席教授尼尔斯·格哈特（Nils Gerhardt）表示。