石墨烯有新進展 要顛覆數(shù)碼電路工作方式？

帶有過濾電子自旋功能的石墨烯節(jié)點概念圖：藍色的鎳薄層和紅色的鐵薄層內(nèi)含有兩種自旋狀態(tài)（上旋和下旋）的電子。兩層金屬薄膜間放置了幾層石墨烯（石墨烯即單層碳原子組成的準二維平面），用來形成導電路徑，這條路徑只允許一種方向自旋的電子通過。電流通過這個金屬結(jié)點后，就成為了自旋極化電流。

在自旋電子學（也稱磁電子學）的歷史上，石墨烯有著不同尋常的歷史。這種電子學利用電子本身的自旋狀態(tài)進行信息編碼，而非傳統(tǒng)地利用電子本身的電荷去編碼。最初，石墨烯并沒有出現(xiàn)在這項領域的視野內(nèi)。因為當電子透過平面展開的石墨烯之后，自旋狀態(tài)沒有任何改變，而且電子的運動方向也仍然隨機，并沒有形成一定的路徑。但是根據(jù)最近的一項實驗結(jié)果表明石墨烯對自旋電子學可能有很大的作用，這也改變了科研計劃主管人員的看法。

來自美國海軍實驗室（NRL）的一個團隊，最近做了一次實驗，他們把一層石墨烯放到了幾層鎳和鐵的中間。這種層疊結(jié)構(gòu)，首次完成了常溫下可過濾電子自旋的薄膜類結(jié)點。這項結(jié)果可能對于下一代磁阻式隨機訪問儲存器（MRAM）的研發(fā)有著巨大幫助。MRAM 的原理就是利用自旋極化后的脈沖，將存儲位的磁信息從 0 翻轉(zhuǎn)到 1，亦可反向翻轉(zhuǎn)。

自旋過濾這種現(xiàn)象，使獲取高度自旋極化的載流子成為可能。實際上，這種設備的原理就和過濾器一樣，只允許某一種自旋方向的電子通過，阻礙另一種自旋方向的電子。這樣可以使電子的“上”和“下”旋可以被區(qū)分開來，從而形成了數(shù)字邏輯中的“0”和“1”。

在這種層疊結(jié)構(gòu)中，自旋過濾現(xiàn)像是由石墨烯和晶鎳薄膜的量子機械特性相互作用而產(chǎn)生的。在鎳層和石墨烯層對齊后，這種結(jié)構(gòu)只允許一種特定自旋方向的電子從材料中流向另一端。

“這種自旋過濾以前在理論上就有人預測過，但之前只在低溫高阻結(jié)構(gòu)下被證實過”，NRL 材料科學技術部門的首席研究員 Enrique Cobas 博士在一次發(fā)布會上提到?！靶碌慕Y(jié)果證實，這種效應（自旋過濾）在常溫下多種設備矩陣的低阻結(jié)構(gòu)中也可以存在?！?/p>

在期刊 ACS Nano 的文章中，NRL 的研究員們正在勘查石墨烯層疊后的導電性以及與其他材料的交互方式。為此，NRL 的團隊創(chuàng)造出了一種新的方法，可以直接在一張平整的晶鎳合金薄膜上制造大片多層石墨烯薄膜。這種方法能夠保持鎳合金薄膜的磁特性，以便他們把這些薄膜排布成開關矩陣結(jié)點。

“我們依然有改進的空間，因為理論上透過精密調(diào)整石墨烯的層數(shù)，這種效應可以增強一個數(shù)量級，”NRL 材料科學技術部門的科研員 Olaf van’t Erve 博士在一次發(fā)布會上講到?！叭欢斍暗哪Ｐ筒]有包含在鐵磁接觸中發(fā)生的自旋轉(zhuǎn)換。當我們把那些效應也考慮進去的時候，我們就可以真正逼近 100% 自旋極化的理想狀況了。這可以使我們修改并優(yōu)化當前的設備構(gòu)造和材料，進而讓效應最大化?！?/p>