未來電子器件：自旋電子學研究將帶來新節能機制！

導讀

近日，日本東京工業大學的科學家們提出了新型准一維材料，用於潛在的自旋電子學應用。他們展開模擬以演示這些材料的自旋特性，並解釋了這些行為背後的機制。

背景

電子具有兩個關鍵屬性：電荷與自旋。

電荷這一屬性，許多朋友都不會陌生。在中學物理中，我們就學過：電荷的定向移動形成電流。傳統的計算機正是利用電流來傳輸和處理數據信息的。可是，電流也為傳統計算機與電子器件帶來了一些瓶頸，主要有兩個方面：耗費大量電力、產生大量熱量。此外，隨著後摩爾時代的到來，電子器件的性能正逼近其物理極限。

自旋這一屬性，卻沒有受到足夠重視。直到1925年，G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受泡利不相容原理啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有自旋屬性，以及與電子自旋相聯繫的自旋磁矩。從此，人們開始認識並逐步開始研究電子的自旋屬性。

自旋，是電子與生俱來的量子物理特性。它可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。它賦予電子磁矩，這種磁矩可以用於傳輸或存儲信息。自旋電子材料可通過「向上」或「向下」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【3】）

與傳統電子器件相比，自旋電子器件產生的熱量很少，使用的電量也非常少。自旋電子計算機，在內存中保存數據所需的能量幾乎為零。自旋電子計算機也可以瞬間啟動，其潛力比現代電子計算機要大許多倍。通過利用「電子自旋」，電子器件的性能將得到提高，此外還將帶來許多新應用。

世界各國的科學家們已經在利用某些」特殊材料「研究自旋電子特性，製造出相應的自旋電子邏輯與存儲器件。筆者之前也介紹過一些相關的案例，例如：

（一）美國加州大學河濱分校工程師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。

（圖片來源：加州大學河濱分校）

（二）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出一種新型計算機器件：全碳自旋邏輯器件。它完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來有望取代硅晶體管。

如下圖所示：磁阻石墨烯納米帶，如同解開的拉鏈一般，位於碳納米管之上。石墨烯納米帶受制於兩條平行的碳納米管。當所有的電壓恆定時，所有的電流都是單向的。輸入碳納米管的控制電流I_CTRL 的量級和相對方向，決定了磁場B、石墨烯碳納米帶的邊緣磁化、輸出的電流I_GNR 的量級。

（圖片來源：參考資料【4】）

（三）荷蘭格羅寧根大學與德國雷根斯堡大學的研究人員構造出最優化的雙層石墨烯器件，它具有很長的自旋壽命以及電氣可控的自旋壽命各向異性。其潛在的實際應用包括基於自旋的邏輯器件等。

（圖片來源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格羅寧根大學）

（四）新加坡國立大學領導的國際科研團隊發明了一種採用亞鐵磁體的新型磁性器件。與商用的「自旋電子」數字存儲器相比，這種器件操控數字信息的效率高20倍，穩定性高10倍。

（圖片來源：新加坡國立大學）

創新

近日，日本東京工業大學的科學家們提出了新型准一維材料，用於潛在的自旋電子學應用。他們展開模擬以演示這些材料的自旋特性，並解釋了這些行為背後的機制。

（圖片來源：東京工業大學）

技術

正如背景部分所介紹的，世界各國的科研人員們都在嘗試尋找便捷的途徑，通過具有所需電子自旋特性的材料結構生成自旋電流。

Rashba-Bychkov 效應（簡稱「Rashba 效應」），涉及對稱性的破壞，將自旋向上與自旋向下的電子分開，這種效應有望被用於上述目的。

東京工業大學副教授 Yoshihiro Gohda 及其同事提出了一種新機制，通過基於鉍吸附銦的新型准一維材料的一系列模擬，在沒有能量損失的情況下生成自旋電流，展示出巨大的 Rashba 效應。

什麼是准一維材料？

准一維納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度為宏觀尺度的新型納米材料，例如：碳纖維、碳納米管、納米棒、納米線、半導體納米量子線、納米線陣列等。

Gohda 解釋道：「我們的機制適合自旋電子學應用，其優勢在於無需外部磁場生成非耗散的自旋電流。」 這一優勢將簡化潛在自旋電子器件，並將使其進一步小型化。

研究人員基於這些材料展開了模擬，演示了其中巨大的 Rashba 效應，只需施加一定的電壓就可以生成自旋電流。通過比較這些材料多個變種的 Rashba 特性的差異，他們為所觀察到的材料中自旋特性的差異提供了解釋，並為進一步探索材料提供了指導。

價值

這種類型的研究非常重要，因為如果我們想要進一步改善電子器件，並超越它們目前的物理極限，那麼就需要一項全新的技術。

Gohda 總結道：「我們的研究對於節能的自旋電子學應用來說很重要，而且刺激了對於不同的一維 Rashba 系統的進一步探索。」

從更快速的存儲器到量子計算機，更好地理解與利用 Rashba 系統所帶來的益處必將產生巨大的影響。

關鍵字

材料、自旋、電子

參考資料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/043279.html

【2】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.98.241409

【3】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

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！