磁振子自旋電子學領域重要進展：新型自旋閥結構
背景
如今的信息技術，基本上都是採用電荷運動所形成的電流，傳輸和處理相關信息。然而，自旋電子學卻是一門不同於傳統的新學科，它採用電子的自旋或磁矩作為信息載體。
「磁振子自旋電子學」（magnons spintronics）是一個新興的科研領域。筆者曾多次介紹「自旋電子學」的概念。那麼「磁振子」（magnon）又是什麼呢？它是自旋波的元激發（在現代固態物理中，「自旋」和「磁」這兩個概念通常密不可分）。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波。
在「磁振子自旋電子學」領域，科研人員們旨在研究利用「磁振子自旋電流」（magnon spin currents）傳輸和處理信息。磁振子自旋電流傳導的並不是電荷，而是磁矩。這些都是通過「磁波」（magnetic wave）或者所謂的「磁振子」作為媒介傳導的，類似於通過磁性材料傳播的聲波。
磁振子自旋電子學的基礎構建模塊是「磁振子邏輯器件」。例如，磁振子邏輯器件能進行基本邏輯操作，通過自旋電流的「疊加」處理信息。例如，筆者前不久剛介紹過荷蘭格羅寧根大學開發的基於磁振子的自旋晶體管。
（圖片來源：L. Cornelissen）
創新
今天，筆者再為大家介紹一項磁振子自旋電子學領域的創新成果。近日，德國美因茨大學（JGU）、德國康士坦茨大學、日本東北大學的科研人員展開了國際科研合作，成功地在磁振子邏輯結構集中添加了一種新元件：自旋閥（spin valve）結構。
自旋閥結構，是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。這種結構能證明，磁振子電流的檢測效率取決於器件的磁場位形。一般來說，它可以用於傳輸（下圖下部）或者阻止（下圖上部）傳入的信息。
（圖片來源：Joel Cramer ）
這項研究的相關論文已在線發表於《自然通信（Nature Communications ）》雜誌。德國美因茨大學卓越材料科學研究所的研究員 Joel Cramer 是這篇論文的第一作者。美因茨大學研究的自旋輸運問題以及自旋電流的創造與檢測，是作為CRC/Transregio 173: Spin+X 項目的一部分，這個項目由德國研究基金會從2016年開始資助。
技術
這項研究中採用的自旋閥結構，是由絕緣鐵磁體釔鐵石榴石（YIG）、絕緣反鐵磁體氧化亞鈷(CoO)、金屬反鐵磁體鈷（Co）組成的三層膜系統：YIG/CoO/Co。通過微波輻射生成振蕩磁場，YIG磁化強度被刻意地偏轉，從而激發出進入CoO的磁振子自旋電流。由於「逆自旋霍爾效應」，在金屬反鐵磁體Co層中，磁振子自旋電流被轉化為電荷電流，然後會被檢測到。
（圖片來源：參考資料【2】）
之前，筆者曾介紹過德國凱澤斯勞滕工業大學（TUK）科研團隊一項創新成果，其中也採用了「逆自旋霍爾效應」。TUK 科研團隊採用的是飛秒激光器激發出的極短激光脈衝。當激光脈衝照射到納米結構上時，激發了離子薄膜中的電子，從而創造出自旋電流。當這種電流流入鄰近的鉑層時，也會出現同樣的物理現象：逆自旋霍爾效應。鉑的原子核使得電子向相反方向偏轉，即左手或者右手自旋，導致自旋電流變化為超高速的瞬態電荷流，然後變成太赫茲波的發射源。
（圖片來源：TUK）
實驗證明：檢測到的信號幅度強烈地依賴於自旋閥的磁場位形。在反平行對齊的YIG和Co磁化強度中，信號幅度大約比平行狀態高120%。反覆切換Co的磁化強度，將進一步揭示這種效應具有魯棒性，並適合長期操作。Joel Cramer 表示：「總而言之，這種效應某種程度上實現了一種開關類型的器件，它可以阻止或者傳遞作為電信號的磁振子電流。」
價值
磁振子自旋電子學的根本目的在於：採用磁振子取代電荷，作為信息技術概念中的信息載體。此外，磁振子也為基於自旋波的計算提供了可能性，這種基於自旋波的計算為邏輯數據處理提供了更多選項。與此同時，磁振子以相對較小的損耗，在磁性絕緣體中傳播，也有望幫助進一步提高數據處理的能量效率。
Joel Cramer 表示：「我們實驗的成果是一種可應用於未來磁振子邏輯運算的效應，從而在磁振子電子自旋學領域作出重要貢獻。」
關鍵字
自旋電子學、磁振子、計算機、邏輯運算
參考資料
【1】https://idw-online.de/en/news690805
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