新研究：朝著自旋晶體管的目標邁進一大步！

近日，荷蘭格羅寧根大學的物理學家僅僅使用簡單的直流電流，就改變了通過磁體中的自旋波。這標誌著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。這些自旋電子器件比傳統的電子器件更加節能。

背景

自旋是電子的量子力學特性。簡單地說，自旋讓電子的表現如同小型磁羅盤針，可以指向上方或者下方。自旋可以用於傳輸或者存儲信息，相比普通的微電子器件，通過自旋電子學創造出的自旋電子器件優勢在於：產生的熱量非常少、啟動速度快、存儲數據的能耗幾乎為零等等。

在「馮·諾依曼體系結構」的傳統計算機中，數據存儲（使用磁過程）和數據處理（電子晶體管）使用的是獨立的器件，因此數據需要在存儲器和處理器之間來回移動，由於存儲器與處理器在速度上的不匹配，造成了傳統計算機的性能瓶頸。

然而，自旋電子學有望將存儲和處理數據的功能，集成到一個器件中，避免了存儲器和處理器之間的數據來回移動。此外，自旋還能夠以一種非易失的方式存儲數據。這意味著，相對於普通的RAM存儲器來說，這種存儲方式無需能量。所有這些都顯示：自旋電子學有望帶來更快速、更節能的計算機。

下面，回顧一下筆者介紹過的自旋電子器件的研究案例。

1）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出的全碳自旋邏輯器件，完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。該器件的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來將有望取代硅晶體管。

（圖片來源於:參考資料【2】）

2）荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft ）教授 Vandersypen 領導的科學家團隊在硅量子晶元中將電子自旋的量子信息成功傳送至光子，對於跨越晶元連接量子位和擴大量子位的數量來說，這一點非常重要。

（圖片來源：TU Delft）

3）荷蘭代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）與荷蘭科學研究組織 AMOLF 研究所合作，開發出一種在室溫下將自旋信息轉化為可預見的光信號的方法。這一發現讓自旋電子學與納米光子學結合得更緊密，有望為大數據中心的數據處理開闢一條更加節能的途徑。

（圖片來源：TU Delft）

4）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，有望幫助我們走向新一代計算和數據存儲技術。在一篇發表於科學雜誌《應用物理快報》（Applied Physics Letters）的論文（參考資料【3】）中，Kumar 及其同事們報告了一種在簡單的兩層三明治狀的硅和鎳鐵導磁合金（Permalloy）中，檢測自旋電流的高效技術。在一篇發表於《磁學和磁性材料》（Magnetism and Magnetic Materials）雜誌的論文（參考資料【5】）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。此外，在科學雜誌《 physica status solidi》上發表的論文（參考資料【4】）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。

5）德國凱澤斯勞滕工業大學（TUK）的團隊開發出一種生成太赫茲波的新方法：利用磁性金屬納米結構中的量子磁電流，也稱為「自旋電流」。

（圖片來源：TUK）

創新

今天，筆者要再介紹一項有關自旋電子學的前沿科技成果。近日，荷蘭格羅寧根大學的物理學家僅僅使用簡單的直流電流，就改變了通過磁體中的自旋波。這標誌著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。這些自旋電子器件比傳統的電子器件更加節能。研究成果發表於3月2日的《物理評論快報（Physical Review Letters）》雜誌。

（圖片來源：格羅寧根大學）

技術

為了實現這個目標，科學家需要進行很多步研究，並需要獲取很多基礎知識。格羅寧根大學澤尼克先進材料研究所（Zernike Institute of Advanced Materials ）物理學教授 Bart van Wees 的納米器件物理小組在這個領域處於前沿地位。在最新的論文中，他們展示了一種基於磁振子的自旋晶體管。

（圖片來源：L. Cornelissen）

磁振子，或者自旋波，是指序磁性(鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁)體中相互作用的自旋體系由於各種激發作用引起的集體運動，是一種發生於磁性材料中的特殊的波。論文的首作者、Van Wees 研究組的博士生 Ludo Cornelissen 解釋道：「你可以將磁振子視為一種波或者粒子，就像電子一樣。」

在實驗中，Cornelissen 和 Van Wees 在具有磁性的電氣絕緣材料中生成了磁振子。電子無法穿過磁體，但是自旋波卻可以，這就像體育場中的人浪在運動，而觀眾卻停留在原處。Cornelissen 使用了鉑帶將磁振子注入到由釔鐵石榴石（YIG）組成的磁體中。「當電流通過這個帶的時候，與重原子產生交互作用，發生散射，這個過程被稱為自旋霍爾效應。這種散射取決於電子的自旋，所以向上自旋和向下自旋的電子相互分開。」

在鉑和YIG的界面上，無法進入磁體的電子彈了回來。「當這個現象發生時，電子的自旋從向上翻轉至向下個，或者相反。然而，這引起了YIG內部的平行自旋翻轉，從而產生了磁振子。」磁振子穿越材料，並且被第二個鉑帶檢測到。

「我們不久前就描述過這種通過磁場的自旋傳輸。現在，我們已經進入下一步：我們希望影響傳輸。」科學家通過在注入器與檢測器之間，使用第三個鉑帶，實現這個目標。施加正電流或者負電流，可以將額外的磁振子注入到導電通道中，或者從中耗盡磁振子。「這使得我們可以構建出類似場效應晶體管的器件。在這種晶體管中，柵極的電場能減少或者增加通道中自由電子的數量，從而關閉或者增加電流。」

Cornelissen 及其同事展示了，添加磁振子將增加自旋電流，同時耗盡它們將顯著降低自旋電流。Cornelissen 表示：「儘管目前我們還未能完全地關閉磁振子電流，但是這個器件具備了晶體管的功能。」理論模型顯示，減少器件的厚度將增加磁振子的消耗，完全地阻止磁振子電流。

但是，Cornelissen 的導師 Bart van Wees 表示還有另外一個有趣的觀點：「在一個較薄的器件中，增加通道中的磁振子數量到一定程度時，它們有可能形成一個玻色-愛因斯坦冷凝物。」這種現象造成了超導性。相對於只能在非常低的溫度下產生的普通超導性，這種超導性可以在室溫下產生。

價值

這項研究製造出了YIG自旋晶體管，而且從長遠來看，這種材料甚至可以自造出自旋超導體。這個系統的美麗之處在於：自旋注入和自旋電流控制都可以通過簡單的直流電流實現，從而使得自旋器件可以兼容普通的電子器件。Van Wees 總結道：「我們的下一步就是看看，我們是否能夠實現這些願望。」

關鍵字

自旋電子學、磁、晶體管、物理

參考資料

【1】https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/03/20180302_spintransistor

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

【3】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

【4】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

【5】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

【6】L. J. Cornelissen, J. Liu, B. J. van Wees, and R. A. Duine.Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a three-terminal magnon transistor. Physical Review Letters, 2018; (accepted) [https://journals.aps.org/prl/accepted/3a07bYd7Xbf19c5259311415fd268dc4c4625d43b]

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