朝著自旋晶體管的目標(biāo)邁進(jìn)一大步

日前，荷蘭格羅寧根大學(xué)的物理學(xué)家僅僅使用簡單的直流電流，就改變了通過磁體中的自旋波。這標(biāo)志著朝著構(gòu)造自旋電子器件的自旋晶體管的目標(biāo)邁出了一大步。這些自旋電子器件比傳統(tǒng)的電子器件更加節(jié)能。

下面，回顧一下筆者介紹過的自旋電子器件的研究案例。

1）美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校科學(xué)家設(shè)計(jì)出的全碳自旋邏輯器件，完全由碳構(gòu)成，采用了自旋電子學(xué)原理。該器件的尺寸比硅晶體管更小，性能卻更佳，未來將有望取代硅晶體管。

2）荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）教授 Vandersypen領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在硅量子芯片中將電子自旋的量子信息成功傳送至光子，對于跨越芯片連接量子位和擴(kuò)大量子位的數(shù)量來說，這一點(diǎn)非常重要。

3）荷蘭代爾夫特理工大學(xué)科維理納米科學(xué)研究所（Kavli Institute of Nanoscience Delft）與荷蘭科學(xué)研究組織AMOLF 研究所合作，開發(fā)出一種在室溫下將自旋信息轉(zhuǎn)化為可預(yù)見的光信號的方法。這一發(fā)現(xiàn)讓自旋電子學(xué)與納米光子學(xué)結(jié)合得更緊密，有望為大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理開辟一條更加節(jié)能的途徑。

5）德國凱澤斯勞滕工業(yè)大學(xué)（TUK）的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種生成太赫茲波的新方法：利用磁性金屬納米結(jié)構(gòu)中的量子磁電流，也稱為“自旋電流”。

今天，筆者要再介紹一項(xiàng)有關(guān)自旋電子學(xué)的前沿科技成果。近日，荷蘭格羅寧根大學(xué)的物理學(xué)家僅僅使用簡單的直流電流，就改變了通過磁體中的自旋波。這標(biāo)志著朝著構(gòu)造自旋電子器件的自旋晶體管的目標(biāo)邁出了一大步。這些自旋電子器件比傳統(tǒng)的電子器件更加節(jié)能。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，科學(xué)家需要進(jìn)行很多步研究，并需要獲取很多基礎(chǔ)知識。格羅寧根大學(xué)澤尼克先進(jìn)材料研究所（Zernike Institute of Advanced Materials）物理學(xué)教授Bart van Wees的納米器件物理小組在這個(gè)領(lǐng)域處于前沿地位。在最新的論文中，他們展示了一種基于磁振子的自旋晶體管。

在鉑和YIG的界面上，無法進(jìn)入磁體的電子彈了回來?！爱?dāng)這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電子的自旋從向上翻轉(zhuǎn)至向下個(gè)，或者相反。然而，這引起了YIG內(nèi)部的平行自旋翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了磁振子?！贝耪褡哟┰讲牧?，并且被第二個(gè)鉑帶檢測到。

“我們不久前就描述過這種通過磁場的自旋傳輸?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)進(jìn)入下一步：我們希望影響傳輸?！笨茖W(xué)家通過在注入器與檢測器之間，使用第三個(gè)鉑帶，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。施加正電流或者負(fù)電流，可以將額外的磁振子注入到導(dǎo)電通道中，或者從中耗盡磁振子。“這使得我們可以構(gòu)建出類似場效應(yīng)晶體管的器件。在這種晶體管中，柵極的電場能減少或者增加通道中自由電子的數(shù)量，從而關(guān)閉或者增加電流?！?/p>

Cornelissen及其同事展示了，添加磁振子將增加自旋電流，同時(shí)耗盡它們將顯著降低自旋電流。Cornelissen表示：“盡管目前我們還未能完全地關(guān)閉磁振子電流，但是這個(gè)器件具備了晶體管的功能?！崩碚撃Ｐ惋@示，減少器件的厚度將增加磁振子的消耗，完全地阻止磁振子電流。

但是，Cornelissen 的導(dǎo)師 Bart van Wees表示還有另外一個(gè)有趣的觀點(diǎn)：“在一個(gè)較薄的器件中，增加通道中的磁振子數(shù)量到一定程度時(shí)，它們有可能形成一個(gè)玻色-愛因斯坦冷凝物?！边@種現(xiàn)象造成了超導(dǎo)性。相對于只能在非常低的溫度下產(chǎn)生的普通超導(dǎo)性，這種超導(dǎo)性可以在室溫下產(chǎn)生。

這項(xiàng)研究制造出了YIG自旋晶體管，而且從長遠(yuǎn)來看，這種材料甚至可以自造出自旋超導(dǎo)體。這個(gè)系統(tǒng)的美麗之處在于：自旋注入和自旋電流控制都可以通過簡單的直流電流實(shí)現(xiàn)，從而使得自旋器件可以兼容普通的電子器件。Van Wees 總結(jié)道：“我們的下一步就是看看，我們是否能夠?qū)崿F(xiàn)這些愿望。”