自旋電子學新突破：在簡單材料中生成超短自旋波！

導讀

近日，德國馬克斯·普朗克智能系統研究所和亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心的研究人員組成的科研團隊，成功地生成所謂的自旋波，比之前的方案更加簡單高效。

背景

傳統電子器件是通過電荷來傳輸和處理信息的。可是，電荷為傳統電子器件帶來了無法避免的問題：耗電和發熱多。值得慶幸的是，電子還具有另一個內稟特性：自旋。自旋是粒子內稟角動量引起的內稟運動，要麼「向上」，要麼「向下」。

（圖片來源：參考資料【2】）

研究電子自旋的科學稱為「自旋電子學」。自旋可以被迅速改變，並且能避免電荷帶來的發熱問題，從而降低功耗。因此，自旋電子學有望使得計算機和智能手機等電子產品變得更快速、更節能。自旋電子學被認為是研究未來電子器件的一個非常有前景方向。

全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【3】）

創新

近日，德國馬克斯·普朗克智能系統研究所（MPI-IS）和亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）的研究人員組成的科研團隊，成功地生成所謂的自旋波，比之前的方案更加簡單高效。研究人員們在《物理評論快報（Physical Review Letters）》期刊上發表了他們的研究成果。

下圖所示：一個超短自旋波（紅）通過鐵鎳層。朝著這一層的中心，在一種「結」中，磁方向（藍色箭頭）在上和下之間搖擺，而其他部分中的運動保持圓形，與磁轉動相反。

（圖片來源：HZDR / Juniks）

技術

現代計算機晶元都是基於電荷的輸運。每次處理事件都會引起電流在電子器件中流動。這些電子會遭遇助力，即所謂的電阻，從而產生不受歡迎的熱量。晶元上的結構越小，那麼散熱就越難。這種基於電荷的架構也是近年來處理器的時鐘頻率沒有得到顯著提升的部分原因。晶元性能和速度的這種優美穩定的發展曲線現在趨於平緩。HZDR 離子束物理與材料研究所的博士 Sebastian Wintz 表示：「現有的概念正在逼近極限。這就是為什麼我們在研究新方案，自旋波。」

這種方案不再涉及電荷輸運，而只是在磁性材料中傳輸電子的內稟角動量（自旋）。電子本身保持靜止，只有他們的自旋發生改變。因為相鄰電子的自旋會相互感知，一個自旋的變化會傳輸至鄰居。結果就是磁信號像波一樣穿過材料，即所謂的「自旋波」。

依靠自旋的元器件的優勢在於，只會產生非常少的熱量。這意味著其使用的能量非常少，這對於移動設備例如智能手機來說非常有價值。它也有可能為特定應用進一步縮小元件尺寸，因為自旋波的波長比移動通信等領域中使用的電磁信號更短。這意味著，我們可以向一個晶元上添加比現在更多的電路。

在做所有這些工作之前，我們首先需要許多基礎研究。例如，我們需要知道如何有效生成自旋波。專家們嘗試解決這個問題已有一段時間，他們將微米尺寸的金屬條粘貼到薄薄的磁層上。一個交流電通過這個金屬條，會創造出一個被限制在狹小空間中的磁場。然後，這個磁場會在磁層中激發自旋波。但是，這個方法有一個缺點：讓生成的自旋波的波長小於金屬條的寬度變得很困難。這一點不利於開發高度集成的納米結構。

然而，這裡還有另外一個選擇：圓盤形的磁材料引起磁渦旋。磁渦旋核心的尺寸不超過10納米。然後，磁場會使渦旋核心產生振蕩，在這一層中激起自旋波。Wintz 報告稱：「一段時間之前，我們需要相對複雜的多層材料來實現這個目標。現在，我們已經可以從非常簡單的材料中的渦旋核心發出自旋波。」他們採用了一種厚度達100納米的易於製造的鐵鎳合金層。

（圖片來源：參考資料【4】）

價值

引人注目的是，生成的自旋波波長只有80納米。Georg Dieterle 博士在 MPI-IS 攻讀博士期間探索了這一現象。他表示：「專家們對於我們在如此簡單的材料中做到了這一點感到非常驚訝。我們也沒有預料到能夠生成如此短的波，其頻率處于吉赫茲範圍的較低部分。」

專家們認為，短波長的原因存在於它們傳輸的方式中。靠近鎳鐵層的橫截面中心，自旋波在磁形成了一種「結」。在結的內部，磁方向只向上或者向下振蕩，而不是沿著其通常的圓形軌跡。

為了讓這些現象可見，團隊採用了位於亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心的電子存儲環 BESSY II 中的一種特殊X射線顯微鏡。MPI-IS 的主任 Gisela Schütz 教授強調：「沒有這個顯微鏡，我們無法觀察到這些效應。」現在，專家們正在希望他們的成果將幫助深入開發自旋電子器件。Dieterle 表示：「例如，我們的渦旋核心可以作為一個局部、可控的源來探索潛在的現象和開發基於自旋波的組件的新概念。我們觀察到的自旋波未來將與高度集成的電路相關。」

關鍵字

磁、自旋、電子

參考資料

【1】http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=57792

【2】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

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

【4】G. Dieterle, J. F?rster, H. Stoll, A.?S. Semisalova, S. Finizio, A. Gangwar, M. Weigand, M. Noske, M. F?hnle, I. Bykova, J. Gr?fe, D.?A. Bozhko, H.?Yu. Musiienko-Shmarova, V. Tiberkevich, A.?N. Slavin, C.?H. Back, J. Raabe, G. Schütz, S. Wintz. Coherent Excitation of Heterosymmetric Spin Waves with Ultrashort Wavelengths. Physical Review Letters, 2019; 122 (11) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117202

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！