量子效應和磁性：讓石墨烯納米片有望用於新一代晶體管！

近日，義大利國際高等研究院（SISSA）科研團隊研究了一種微小的石墨烯納米薄片，並在這種六邊形的納米結構中發現了量子干涉和與生俱來的磁性。這項研究成為自旋電子學研究的又一重要進展，極具應用前景。

背景

自旋（Spin），是粒子的量子力學特性。Spintronics，即「自旋電子學 」 ，是一項旨在操控電子自旋的前沿科技。傳統的電子器件，往往都是利用電荷運動形成的電流，傳輸和處理相關信息數據。然而，自旋電子學則利用了電子的自旋或磁矩作為信息載體。

自旋電子學的相關應用包括：硬碟磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極體等。相比於傳統的微電子器件，自旋電子器件具有存儲密度高、能耗低、響應快等優勢。

自旋電子學既可以用於數據存儲領域，也可以用於數據處理領域。在數據處理方面，先請大家看兩個例子：

1）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家採用自旋電子學原理，設計出由石墨烯納米帶和碳納米管構成的全碳自旋邏輯器件。

（圖片來源於:參考資料【3】）

2）荷蘭格羅寧根大學的物理學家開發出的基於磁振子的自旋晶體管。

（圖片來源：L. Cornelissen）

數據存儲方面，例如：新加坡國立大學發明的新型超薄多層膜，它能夠有效利用手型自旋結構單元「斯格明子」進行數據存儲。具有磁性斯格明子結構的材料，有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁自旋存儲器件的理想候選材料。

（圖片來源於：參考資料【4】）

因此，我們可以想像，未來自旋電子學有望將數據的存儲和處理功能集成於同一器件，避免了數據存儲器和處理器之間來回移動，從而提升計算機的整體效率，帶來更快速、更節能的計算機。

創新

今天，筆者要為大家介紹自旋電子學研究的又一重要進展。近日，義大利國際高等研究院（SISSA）科研團隊研究了一種微小的石墨烯納米薄片，對於納米電子學領域的應用來說，這將是一種非常有前途的材料。這項研究的參與者最近在《 納米快報（Nano Letters）》上發表了相關論文。這種六邊形的磁性納米結構可利用「量子效應」調製電流。

下圖左方：由磁性納米片組成的自旋濾波器。以「向下」或者「向上」方式自旋的電子組成的電流以均等比例流過該設備。由於在自旋通道（例如：向下）中的破壞性干涉，出來的電流普遍由向上自旋的電子組成。在下圖右方：設備示意圖和自旋濾波器的效率圖。

（圖片來源於：Angelo Valli）

Massimo Capone 領導了這項研究，研究中採用了理論分析和計算機模擬。最近，Massimo Capone 成為了《物理評論快報（Physical Review Letters）》（美國物理學會的著名雜誌）雜誌的傑出審稿人。論文的作者還包括： Angelo Valli 、 Adriano Amaricci 、Valentina Brosco。

技術

Angelo Valli 和 Massimo Capone 解釋道：「我們能夠通過分析石墨烯納米薄片的特性，觀測到兩種關鍵現象。這種兩種現象都對於未來可能的應用來說都非常有價值。」

第一種現象是電子之間的「干涉」，它是一種量子現象：「在納米片中，如果我們在特定的組態中測量電流，電子會通過一種「破壞性」的方式相互干涉。這意味著沒有電流傳遞。它是一種典型的量子現象，只在非常微觀的尺度上才會發生。通過研究石墨烯薄片，我們認為有可能將這種現象帶到更大的系統中，從而進入到納米世界中，而且這種現象可以在這個級別上被觀測到，並在納米電子學中具有多個可能的用途。」這兩位研究人員在「量子干涉晶體管」中解釋了這種現象，破壞性干涉是「關」的狀態；然而，排除干涉條件後則是「開」的狀態，從而使得電流流動。

然而，研究不止於此。研究人員演示，納米片顯現出前所未有的新磁性。例如，在整個石墨烯片中：「磁性自發地出現在邊緣，無需任何外部的干預。這樣便可以創造出自旋電流。」

價值

研究人員解釋道，量子干涉和磁性現象相結合後，可以獲取到幾乎完整的自旋極化，這在自旋電子學領域具有巨大的潛力。這些特性可以被利用，例如，在存儲和信息處理技術中，把自旋理解為二進位代碼。電子自旋，是量子化的，只有兩種可能的狀態（我們稱之為「向上」或者「向下」），非常適合採用這種材料實現。

未來

為了提高相關設備的效率以及電流極化的百分比，研究人員也開發了一種協議，設想在石墨烯薄片與六方氮化硼的表面之間進行交互。研究的領頭人 Massimo Capone 總結道：「獲取的結果非常有趣。這個現象有待實驗測試，從而使得我們確認理論上預測的結果。」

關鍵字

自旋、電子、磁、石墨烯、納米

參考資料

【1】https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf

【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453

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

【4】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.

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