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自旋波晶体管进一步走向实用
2018-03-08


[据固态电子技术网站201832日报道]  荷兰格罗宁根大学的物理学家已设法改变了自旋波在磁体中的流动,使其仅使用电流。这是构建自旋电子器件所需自旋晶体管的重要一步。这类器件将比传统电子产品更节能。该研究结果于32日发表在《物理评论快报》上。



自旋是电子的量子力学性质。简而言之,它使电子表现得像小磁罗盘针,可以指上或指下。这可以用于传输或存储信息,创建比普通微电子器件具有许多优势的自旋电子器件,。



在常规计算机中,数据存储(通常使用磁性处理)和数据处理(电子晶体管)需要彼此独立的设备。自旋电子学可以将两者集成到一个设备中,因此不再需要在存储和处理单元之间移动信息。此外,自旋信息可以以非易失性方式存储,这意味着与通常的RAM存储器相比,它们的存储不需要能量。所有这些都意味着自旋电子学可能会使计算机变得更快,更节能。





要实现这一点,必须采取许多步骤,并且需要获得许多基础知识。格罗宁根大学Zernike先进材料研究所物理学教授Bart van Wees领导的纳米器件物理学团队处于该领域的前沿。他们在最新的论文中提出了基于磁振子的自旋晶体管。磁振子或自旋波是仅存在于磁性材料中的一种波。 Van Wees小组的博士生兼论文的第一作者Ludo Cornelissen解释说:你可以将磁振子看作是波或粒子,就像电子一样。”



在他们的实验中,CornelissenVan Wees在电绝缘的磁性材料中产生磁振子。电子不能穿过磁体,但自旋波可以——类似于体育场内的波动传播一样,而观众全部留在原地。 Cornelissen使用一条铂金将磁振子注入由钇铁石榴石(YIG)制成的磁体中。“当电流通过该带状磁体时,电子与重原子相互作用而散射,这一过程称为自旋霍尔效应。散射取决于这些电子的自旋,所以向上自旋和向下自旋的电子是分开的。”



旋转翻转



在铂和YIG的界面,电子反弹回来,因为它们不能进入磁铁。“发生这种情况时,它们的自旋会自上而下翻转,反之亦然。然而,这会导致YIG内部的平行自旋翻转,从而产生一个磁振子。磁振子穿过磁体并可以用第二个铂金条检测。”



之前我们通过磁铁描述了这种自旋输运。现在,我们已经迈出了下一步:我们想要影响输运。这是通过在注射器和检测器之间使用第三个铂金条来完成的。通过施加正或负电流,可以在传导通道中注入更多的磁振子或从中注入更大的磁振子。这使得我们的器件类似于场效应晶体管。在这样的晶体管中,栅电极的电场减少或增加沟道中自由电子的数量,从而关闭或提升电流。”



Cornelissen和他的同事们表明,增加磁振子会增加自旋电流,而耗尽它们则会导致自旋电流显着的减小。“尽管我们还没有完全关闭磁电流,但这个器件确实起到晶体管的作用。”Cornelissen说。理论模型表明,减小器件的厚度可以增加磁振子的消耗,足以完全阻止磁振子电流。



超导



Cornelissen的主管Bart van Wees解释说,另一个有趣的现象,“在较薄的器件中,可能会将沟道中的磁振子数量增加到一定水平,使其变成玻色——爱因斯坦凝聚。这就是超导现象。它发生在室温下,与正常的超导性相反,这只发生在非常低的温度下。”



研究表明,该方法可以制造YIG自旋晶体管,并且从长远来看,这种材料甚至可以产生自旋超导体。该系统的优点在于,利用简单的直流电流实现自旋注入和自旋电流控制,使得这些自旋电子器件与普通电子器件兼容。“我们的下一步是看看我们是否能实现这个承诺。”Van Wees总结道。(工业和信息化部电子第一研究所 
张慧)



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