自旋電子學新研究進展

導讀

近日，美國加州大學河濱分校工程師們報告了幾項有關「自旋電子」器件的研究新進展，有望幫助我們開啟新一代計算和數據存儲技術。

背景

今天，讓我們還是從自旋電子學說起。正如最近幾篇文章中所介紹的，自旋電子器件有望解決現代電子計算機的主要問題：耗費巨大的電力；製造熱量，而這些熱量又需要更多的能量來冷卻。作為對比，自旋電子器件產生很少的熱量，使用相對來說非常少的電量。自旋電子計算機在內存中保持數據所需的能量幾乎為零。它們也可以瞬間啟動，並且具有比當今計算機強大許多倍的潛力。

電子器件依賴於電荷產生二進位0或者1的計算機數據，然而自旋電子器件依賴於電子的另外一個特性：自旋。自旋電子材料通過「上」或者「下」的電子自旋方向（就像條形磁鐵的南北極一樣）將二進位數據記錄於材料中。

（圖片來源：參考資料【5】）

目前，開發自旋電子器件的主要障礙之一就是：在自旋電子材料中，生成和檢測極度微小的電子自旋信號。

創新

近日，美國加州大學河濱分校工程師們報告了幾項有關「自旋電子」器件的研究新進展，將幫助我們通向新一代計算和數據存儲技術。

技術

他們開發出檢測低成本金屬和硅組成的自旋電子元件產生信號的新方法，從而克服了自旋電子學廣泛應用的主要障礙。之前，這樣的設備主要基於複雜結構開發，這些結構使用稀有且昂貴的金屬例如鉑。研究團隊由機械工程系助理教授 Sandeep Kumar 領導。

在一篇發表於科學雜誌《應用物理快報》（Applied Physics Letters）的論文中，Kumar 及其同事們報告了一種在簡單的兩層三明治般的硅和鎳鐵導磁合金（Permalloy）中，檢測自旋電流的高效技術。所有這三個組件都是廉價和充裕的，這為自旋電子器件的商用奠定了基礎。它們也可以在室溫下工作。這些層廣泛應用於稱為「濺射法」（sputtering）的電子製造工藝中。論文的合著者是研究生 Ravindra Bhardwaj 和 Paul Lou。

（圖片來源：參考資料【2】）

在實驗中，研究人員加熱鎳鐵導磁合金-硅雙層三明治的一側製造出溫度梯度，從而在雙層中產生一個電壓。這個電壓是由一種稱為「自旋-塞貝克效應」的現象引起的。工程師們發現，因為另外一個稱為「逆自旋-霍爾效應」的現象，他們能在雙層中檢測到生成的「自旋電流」。

（圖片來源：加州大學河濱分校）

研究人員表示，他們的研究發現將應用於計算機存儲器中的高效磁開關，並且「這些科學突破將促進」此類裝置的開發。

在其他兩篇科學論文中，研究人員演示了他們將在硅中生成自旋電子材料的關鍵特性，也稱為「反鐵磁性」。正如筆者在《存儲技術最新突破：採用超高速激光控制磁性切換！》一文中所介紹的，反鐵磁性是指：磁矩反平行交錯有序排列，但不表現為宏觀強的凈磁矩，表現為一種磁有序狀態。與鐵磁性一樣，其微小磁矩在磁疇內排列整齊，所不同的是，在這些材料中，反平行排列相互對立。然而，這些「磁矩」是由於原子中的電子自旋引起的，它對於自旋電子學中的材料應用來說非常重要。

在兩篇論文中，Kumar 和 Lou 報告了他們在兩種類型的硅（N型和P型）中檢測到了反鐵磁性，這兩種類型的硅在晶體管和其他電子組件中使用。N型半導體硅中摻雜了使它具有大量帶負電荷電子的物質，而P型硅中摻雜了高濃度的帶正電荷的「空穴」。在計算機存儲器和其他電子器件中，兩種類型硅的結合實現了晶體管等器件的電流開關。

在一篇發表於《磁學和磁性材料》（Magnetism and Magnetic Materials）雜誌的論文中，Lou 和 Kumar 報告了他們在N型硅中，檢測到了自旋霍爾效應和反鐵磁性。他們的實驗使用了鈀、鐵鎳合金、氧化錳和N型硅組成的多層薄膜。並且在科學雜誌《 physica status
solidi》上發表的第二篇論文中，他們報告了P型硅自旋驅動的反鐵磁性，以及硅在金屬和絕緣體之間的特性轉變。這些實驗使用了類似於N型硅中使用的薄膜。

價值

更廣泛地說，研究人員總結道，「這些研究成果將無處不在的硅，帶到了自旋電子學研究的前沿，並且為節能的硅自旋電子學和硅熱激發自旋電子學（spin caloritronics）器件奠定了基礎。」 研究人員稱，這些研究成果為通往商用的自旋電子學器件開闢了一條重要途徑，因為硅是廉價的，並可以使用長期應用於電子器件的成熟技術生產。

研究人員在論文中寫道：「觀察到的新興反鐵磁性行為將為硅自旋電子學奠定基礎，並且將改變每個領域，其中包括硅薄膜。這些實驗也呈現了使用簡單的半導體電子物理，對於磁行為進行潛在的電氣控制。觀察到的電阻大改變和摻雜相變依賴物，將促進反鐵磁性和相變自旋電子學器件開發。」

未來

在更進一步的研究中，Kumar 及其團隊正在開發在材料中開關自旋電流的技術，最終目標是創造出自旋晶體管。他們也正在致力於製造出更大、更高電壓的自旋電子晶元。Kumar 表示，他們的研究成果將是極低功耗的小型發射器和感測器，以及節能的數據存儲和計算機存儲器。

關鍵字

存儲技術、磁性、自旋電子學

參考資料

【1】https://ucrtoday.ucr.edu/51305/spintronics

【2】Ravindra G. Bhardwaj, Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin Seebeck effect and thermal spin galvanic effect in Ni80Fe20/p-Si bilayers. Applied Physics Letters, 2018; 112 (4): 042404 DOI: 10.1063/1.5003008

【3】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Driven Emergent Antiferromagnetism and Metal-Insulator Transition in Nanoscale p-Si. physica status solidi (b), 2017; 1700545 DOI: 10.1002/pssb.201700545

【4】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Hall effect and emergent antiferromagnetic phase transition in n-Si. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018; 452: 129 DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.12.045

【5】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel
spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

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