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自旋電子學的奇跡材料經受住了考驗

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自旋電子學的奇跡材料經受住了考驗

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【自旋電子學的奇跡材料經受住了考驗】1839年，德國礦物學家古斯塔夫羅斯站在俄羅斯烏拉爾山的山坡上，撿到了一種以前沒有發現的礦物 。他從未聽說過晶體管或二極管，也不知道傳統電子產品是如何成為我們日常生活中不可或缺的一部分的 。他無法預測手里的石頭，他稱之為“鈣鈦礦” ， 這可能是我們所知的電子產品創新的關鍵 。
2017年 ， 猶他大學的物理學家ValyVardeny將鈣鈦礦稱為下一代電子學新領域的“奇跡材料” ， 稱之為自旋電子學 ， 他堅持這個命題 。在《自然通訊》(NatureCommunications)雜志上發表的一篇論文中，瓦爾登和王靜瑩、達利孫(現北卡羅來納州立大學)及其同事展示了兩種由鈣鈦礦制成的器件，以展示材料在自旋電子學系統中的潛力 。Vardeny說，它的特性讓自旋電子晶體管的夢想更接近現實 。
自旋電子學 。
傳統的數字電子系統通過電線傳輸電子脈沖來傳輸二進制信號(比如1和0) 。自旋電子學可以通過電子的另一個特征傳遞額外的信息，即它們的自旋方向(向上或向下思考) 。旋轉與磁性有關 。因此，自旋電子學利用磁力來對準一個旋轉的電子，或者將它“旋轉”到系統中 。
如果你做過古老的科學實驗，通過反復拖動磁鐵的長度，把釘子變成磁鐵，那么你就參與了自旋電子學 。磁鐵向指甲傳遞信息 。那么訣竅就是傳輸和操縱這些信息，這就需要性能經過微調的設備和材料 。研究人員正在努力實現旋轉晶體管的里程碑，這是幾乎所有現代電子產品中電子元件的自旋電子版本 。這種器件需要一種半導體材料，在這種材料中，磁場可以很容易地控制電子旋轉的方向——這種特性被稱為自旋軌道耦合 。王說，建造這樣一個晶體管并不容易 ?！拔覀円恢痹趯ふ倚碌牟牧希纯此鼈兪欠窀m合這一目的 。”
這就是鈣鈦礦的工作原理 。
鈣鈦礦
鈣鈦礦是一種具有特定原子結構的礦物 。它們作為技術材料的價值在過去十年才變得明顯 。由于這種原子結構 ， 研究人員一直在開發鈣鈦礦作為制造太陽能電池板的材料 。到2018年 ， 他們已經實現了高達23%的太陽能轉化為電能的效率，比2009年的3.8%有了顯著提高 。
與此同時，Vardeny和他的同事正在探索自旋電子學和各種材料的可能性，這些材料可以證明在傳輸自旋方面是有效的 。由于鈣鈦礦中鉛原子含量高，物理學家預測這種礦物可能具有很強的自旋軌道耦合 。在2017年的一篇論文中 ， Vardeny和物理學助理教授黎一墨表明，一類被稱為有機-無機雜化鈣鈦礦的鈣鈦礦確實具有大的自旋軌道耦合 。此外 ， 植入的混合材料的旋轉壽命持續相對長的時間 。這兩個結果都表明這種雜化鈣鈦礦有望用作自旋電子材料 。
兩個自旋電子器件 。
Vardeny和Wang在他們最近的工作中完成的下一步是將混合鈣鈦礦結合到自旋電子器件中 。第一種裝置是自旋電子發光二極管或發光二極管 。傳統發光二極管中的半導體包含電子和原子中的空穴，其中應該有電子，但沒有 。當電子流經二極管時，它們會填充空穴并發光 。
王說，自旋電子發光二極管的工作原理是一樣的，只是使用磁性電極，電子和空穴被極化以容納某些旋轉的電子 。王說，LED點亮圓極化電致發光 ， 這表明磁電極成功地將自旋極化電子轉移到材料中 。
“如果把半導體和鐵磁體放在一起，就可以進行自旋注入 ， 這是不言而喻的，”Vardeny補充道 ?！澳惚仨氉C明這一點 。他們證明了這一點 ?！?br /> 第二種裝置是旋轉閥 。類似的設備已經存在，并被用于計算機硬盤等設備中 。在自旋閥中，外部磁場在打開的低電阻狀態和關閉的高電阻狀態之間反轉閥中磁性材料的極性 。
王和瓦爾登尼的旋轉閥做得更多 。利用混合鈣鈦礦作為器件材料，研究人員可以在器件中注入旋轉，然后利用磁操作使旋轉在器件中進動或擺動 。
研究人員稱這是一個大問題 ?！澳憧梢蚤_發自旋電子學 ， 它不僅對記錄信息和存儲數據有用 ， 而且對計算也有用，”王說 ?！斑@是在自旋電子學領域起步的最初目標，也是我們仍在努力實現的目標 ?！?br /> 總之，這些實驗表明鈣鈦礦被用作自旋電子半導體 。旋轉晶體管的最終目標還有幾步之遙，但這項研究已經為未來的發展奠定了重要基礎 。
“我們所做的是證明人們認為鈣鈦礦的可能性確實發生了，”Vardeny說 。“這是一大步 ?！?br />