日本东京工业大学采用新型准一维材料研究自旋电子学！

导读

近日，日本东京工业大学的科学家们提出了新型准一维材料，用于潜在的自旋电子学应用。他们展开模拟以演示这些材料的自旋特性，并解释了这些行为背后的机制。

背景

电子具有两个关键属性：电荷与自旋。

电荷这一属性，许多朋友都不会陌生。在中学物理中，我们就学过：电荷的定向移动形成电流。传统的计算机正是利用电流来传输和处理数据信息的。可是，电流也为传统计算机与电子器件带来了一些瓶颈，主要有两个方面：耗费大量电力、产生大量热量。此外，随着后摩尔时代的到来，电子器件的性能正逼近其物理极限。

自旋这一属性，却没有受到足够重视。直到1925年，G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受泡利不相容原理启发，分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有自旋属性，以及与电子自旋相联系的自旋磁矩。从此，人们开始认识并逐步开始研究电子的自旋属性。

自旋，是电子与生俱来的量子物理特性。它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。它赋予电子磁矩，这种磁矩可以用于传输或存储信息。自旋电子材料可通过“向上”或“向下”的电子自旋方向（就像条形磁铁的南北极一样）将二进制数据记录于材料中。

（图片来源：参考资料【3】）

与传统电子器件相比，自旋电子器件产生的热量很少，使用的电量也非常少。自旋电子计算机，在内存中保存数据所需的能量几乎为零。自旋电子计算机也可以瞬间启动，其潜力比现代电子计算机要大许多倍。通过利用“电子自旋”，电子器件的性能将得到提高，此外还将带来许多新应用。

世界各国的科学家们已经在利用某些”特殊材料“研究自旋电子特性，制造出相应的自旋电子逻辑与存储器件。笔者之前也介绍过一些相关的案例，例如：

（一）美国加州大学河滨分校工程师们报告了一种在简单的两层三明治般的硅和镍铁导磁合金（Permalloy）中，检测自旋电流的高效技术。

（图片来源：加州大学河滨分校）

（二）美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出一种新型计算机器件：全碳自旋逻辑器件。它完全由碳构成，采用了自旋电子学原理。尺寸比硅晶体管更小，性能却更佳，未来有望取代硅晶体管。

如下图所示：磁阻石墨烯纳米带，如同解开的拉链一般，位于碳纳米管之上。石墨烯纳米带受制于两条平行的碳纳米管。当所有的电压恒定时，所有的电流都是单向的。输入碳纳米管的控制电流ICTRL 的量级和相对方向，决定了磁场B、石墨烯碳纳米带的边缘磁化、输出的电流IGNR 的量级。

（图片来源：参考资料【4】）

（三）荷兰格罗宁根大学与德国雷根斯堡大学的研究人员构造出最优化的双层石墨烯器件，它具有很长的自旋寿命以及电气可控的自旋寿命各向异性。其潜在的实际应用包括基于自旋的逻辑器件等。

（图片来源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格罗宁根大学）

（四）新加坡国立大学领导的国际科研团队发明了一种采用亚铁磁体的新型磁性器件。与商用的“自旋电子”数字存储器相比，这种器件操控数字信息的效率高20倍，稳定性高10倍。

（图片来源：新加坡国立大学）

创新

近日，日本东京工业大学的科学家们提出了新型准一维材料，用于潜在的自旋电子学应用。他们展开模拟以演示这些材料的自旋特性，并解释了这些行为背后的机制。

（图片来源：东京工业大学）

技术

正如背景部分所介绍的，世界各国的科研人员们都在尝试寻找便捷的途径，通过具有所需电子自旋特性的材料结构生成自旋电流。

Rashba-Bychkov 效应（简称“Rashba 效应”），涉及对称性的破坏，将自旋向上与自旋向下的电子分开，这种效应有望被用于上述目的。

东京工业大学副教授 Yoshihiro Gohda 及其同事提出了一种新机制，通过基于铋吸附铟的新型准一维材料的一系列模拟，在没有能量损失的情况下生成自旋电流，展示出巨大的 Rashba 效应。

什么是准一维材料？

准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度为宏观尺度的新型纳米材料，例如：碳纤维、碳纳米管、纳米棒、纳米线、半导体纳米量子线、纳米线阵列等。

Gohda 解释道：“我们的机制适合自旋电子学应用，其优势在于无需外部磁场生成非耗散的自旋电流。” 这一优势将简化潜在自旋电子器件，并将使其进一步小型化。

研究人员基于这些材料展开了模拟，演示了其中巨大的 Rashba 效应，只需施加一定的电压就可以生成自旋电流。通过比较这些材料多个变种的 Rashba 特性的差异，他们为所观察到的材料中自旋特性的差异提供了解释，并为进一步探索材料提供了指导。

价值

这种类型的研究非常重要，因为如果我们想要进一步改善电子器件，并超越它们目前的物理极限，那么就需要一项全新的技术。

Gohda 总结道：“我们的研究对于节能的自旋电子学应用来说很重要，而且刺激了对于不同的一维 Rashba 系统的进一步探索。”

从更快速的存储器到量子计算机，更好地理解与利用 Rashba 系统所带来的益处必将产生巨大的影响。

关键字

材料、自旋、电子

参考资料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/043279.html

【2】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.98.241409

【3】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

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