離實用自旋波晶體管又近了一步

格羅寧根大學的物理學家僅利用一種電流，設法改變自旋波在磁體中的流動。 這是構建自旋電子器件所需的自旋晶體管的一大步。 這些有希望比傳統電子產品更節能。 該結果發表在「Physical Review Letters」（"Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a 3-terminal magnon transistor"）上。

磁振子晶體管示意圖。 該裝置由釓鎵石榴石（GGG）基底，釔鐵石榴石（YIG，磁性絕緣體）薄膜和鉑電極（YIG表面上的灰色結構）組成。 兩側面的窄電極用於注入或檢測磁振子，而寬的中間電極是調製器觸點：通過向調製器發送直流電流，可以影響磁絕緣體中的磁振子密度。 正的直流電流會產生額外的磁振子，而負電流會降低磁振子的密度。 這會導致最外面的電極之間的磁振子電流增加或減少。 （圖片：格羅寧根大學Ludo Cornelissen）

自旋是電子的量子力學性質。簡而言之，它使電子錶現得像小磁羅盤針一樣，可以指向上或下。這可以用來傳輸或存儲信息，創建自旋電子器件，與普通微電子器件相比具有更多優勢。

在傳統的計算機中，數據存儲（通常使用磁性處理）和數據處理（電子晶體管）需要單獨的設備。自旋電子學可將兩者集成到一個設備中，因此不再需要在存儲和處理單元之間移動信息。此外，自旋可以以非易失性方式存儲，這意味著與通常的RAM存儲器相比，它們的存儲不需要能量。所有這一切都意味著自旋電子學可能會使計算機變得更快，更節能。

波

要實現這一點，必須採取許多步驟，並且需要獲得許多基礎知識。格羅寧根大學Zernike先進材料研究所物理學教授Bart van Wees的納米器件物理學團隊處於該領域的前沿。在他們最新的論文中，他們提出了基於磁振子的自旋晶體管。 磁振子或自旋波是僅在磁性材料中出現的一種波。 Van Wees小組的博士生和論文的第一作者Ludo Cornelissen解釋說：「你可以將磁振子看作是波或粒子，就像電子一樣。

在他們的實驗中，Cornelissen和Van Wees在磁性材料中產生有磁性的磁振子，但也是電學上絕緣的。電子不能穿過磁鐵，但旋轉波可以 - 就像體育場內的波動一樣，而觀眾全部留在原地。 Cornelissen使用一根鉑金片將磁振子注入由釔鐵石榴石（YIG）製成的磁體中。當電子電流通過鉑金片時，電子通過與重原子的相互作用而散射，這一過程稱為自旋霍爾效應。散射取決於這些電子的自旋，所以具有自旋向上和向下旋轉的電子是分開的。

自旋翻轉

在鉑和YIG的界面上，電子在不能進入磁鐵的情況下反彈回來。『發生這種情況時，它們的自旋會自上而下翻轉，反之亦然。但是，這會導致YIG內部的平行自旋翻轉，從而產生一個磁振子。』磁振子穿過材料並可以被第二個鉑金條檢測到。

『我們前段時間通過磁鐵描述了這種自旋輸運。現在，我們已經開始下一步：我們想影響運輸。』這是在注入器和檢測器之間的第三個鉑金條進行的。通過施加一個正或負電流，可以在傳導通道中注入更多的磁振子或從中注入更大的磁振子。『"這使得我們的設置類似於場效應晶體管。在這樣的晶體管中，柵電極的電場減少或增加通道中自由電子的數量，從而關閉或打開電流。』

Cornelissen和他的同事們表明，增加磁振子會增加自旋電流，而排出它們會導致自旋電流顯著的減小。「儘管我們還沒有完全關閉磁電流，但這個器件確實起到晶體管的作用，」Cornelissen說。理論模型表明，減小器件的厚度可以增加磁振子的消耗，從而完全阻止磁流。

超導

但是還有另一個有趣的選擇，Cornelissen的主管Bart van Wees解釋道：「在更薄的器件中，可能會將通道中的磁振子數量增加到形成玻色 - 愛因斯坦凝聚的水平。」 這是導致超導性的現象。這種現象發生在室溫下，與正常的超導性相反，這隻發生在非常低的溫度下。

研究表明，可以製造YIG自旋晶體管，並且從長遠來看，這種材料甚至可以產生自旋超導體。該系統的優點在於，利用簡單的直流電流實現自旋注入和自旋電流控制，使得這些自旋電子器件與普通電子器件兼容。『我們的下一步是看看我們是否能實現這個期望』，Van Wees總結道。

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