量子效应和磁性：让石墨烯纳米片有望用于新一代晶体管！

导读

近日，意大利国际高等研究院（SISSA）科研团队研究了一种微小的石墨烯纳米薄片，并在这种六边形的纳米结构中发现了量子干涉和与生俱来的磁性。这项研究成为自旋电子学研究的又一重要进展，极具应用前景。

背景

自旋（Spin），是粒子的量子力学特性。Spintronics，即“自旋电子学 ” ，是一项旨在操控电子自旋的前沿科技。传统的电子器件，往往都是利用电荷运动形成的电流，传输和处理相关信息数据。然而，自旋电子学则利用了电子的自旋或磁矩作为信息载体。

自旋电子学的相关应用包括：硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等。相比于传统的微电子器件，自旋电子器件具有存储密度高、能耗低、响应快等优势。

自旋电子学既可以用于数据存储领域，也可以用于数据处理领域。在数据处理方面，先请大家看两个例子：

1）美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家采用自旋电子学原理，设计出由石墨烯纳米带和碳纳米管构成的全碳自旋逻辑器件。

（图片来源于:参考资料【3】）

2）荷兰格罗宁根大学的物理学家开发出的基于磁振子的自旋晶体管。

（图片来源：L. Cornelissen）

数据存储方面，例如：新加坡国立大学发明的新型超薄多层膜，它能够有效利用手型自旋结构单元“斯格明子”进行数据存储。具有磁性斯格明子结构的材料，有望成为构建未来高密度、高速度、低能耗磁自旋存储器件的理想候选材料。

（图片来源于：参考资料【4】）

因此，我们可以想象，未来自旋电子学有望将数据的存储和处理功能集成于同一器件，避免了数据存储器和处理器之间来回移动，从而提升计算机的整体效率，带来更快速、更节能的计算机。

创新

今天，笔者要为大家介绍自旋电子学研究的又一重要进展。近日，意大利国际高等研究院（SISSA）科研团队研究了一种微小的石墨烯纳米薄片，对于纳米电子学领域的应用来说，这将是一种非常有前途的材料。这项研究的参与者最近在《 纳米快报（Nano Letters）》上发表了相关论文。这种六边形的磁性纳米结构可利用“量子效应”调制电流。

下图左方：由磁性纳米片组成的自旋滤波器。以“向下”或者“向上”方式自旋的电子组成的电流以均等比例流过该设备。由于在自旋通道（例如：向下）中的破坏性干涉，出来的电流普遍由向上自旋的电子组成。在下图右方：设备示意图和自旋滤波器的效率图。

（图片来源于：Angelo Valli）

Massimo Capone 领导了这项研究，研究中采用了理论分析和计算机仿真。最近，Massimo Capone 成为了《物理评论快报（Physical Review Letters）》（美国物理学会的著名杂志）杂志的杰出审稿人。论文的作者还包括： Angelo Valli 、 Adriano Amaricci 、Valentina Brosco。

技术

Angelo Valli 和 Massimo Capone 解释道：“我们能够通过分析石墨烯纳米薄片的特性，观测到两种关键现象。这种两种现象都对于未来可能的应用来说都非常有价值。”

第一种现象是电子之间的“干涉”，它是一种量子现象：“在纳米片中，如果我们在特定的组态中测量电流，电子会通过一种“破坏性”的方式相互干涉。这意味着没有电流传递。它是一种典型的量子现象，只在非常微观的尺度上才会发生。通过研究石墨烯薄片，我们认为有可能将这种现象带到更大的系统中，从而进入到纳米世界中，而且这种现象可以在这个级别上被观测到，并在纳米电子学中具有多个可能的用途。”这两位研究人员在“量子干涉晶体管”中解释了这种现象，破坏性干涉是“关”的状态；然而，排除干涉条件后则是“开”的状态，从而使得电流流动。

然而，研究不止于此。研究人员演示，纳米片显现出前所未有的新磁性。例如，在整个石墨烯片中：“磁性自发地出现在边缘，无需任何外部的干预。这样便可以创造出自旋电流。”

价值

研究人员解释道，量子干涉和磁性现象相结合后，可以获取到几乎完整的自旋极化，这在自旋电子学领域具有巨大的潜力。这些特性可以被利用，例如，在存储和信息处理技术中，把自旋理解为二进制代码。电子自旋，是量子化的，只有两种可能的状态（我们称之为“向上”或者“向下”），非常适合采用这种材料实现。

未来

为了提高相关设备的效率以及电流极化的百分比，研究人员也开发了一种协议，设想在石墨烯薄片与六方氮化硼的表面之间进行交互。研究的领头人 Massimo Capone 总结道：“获取的结果非常有趣。这个现象有待实验测试，从而使得我们确认理论上预测的结果。”

关键字

自旋、电子、磁、石墨烯、纳米

参考资料

【1】https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf

【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453

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

【4】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.