朝著自旋晶體管的目標邁進一大步

日前，荷蘭格羅寧根大學的物理學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。這標志著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。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）美國德克薩斯大學達拉斯分?？茖W家設計出的全碳自旋邏輯器件，完全由碳構成，采用了自旋電子學原理。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（TU Delft）教授 Vandersypen領導的科學家團隊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大量子位的數量來說，這一點非常重要。

3）荷蘭代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所（Kavli Institute of Nanoscience Delft）與荷蘭科學研究組織AMOLF 研究所合作，開發(fā)出一種在室溫下將自旋信息轉化為可預見的光信號的方法。這一發(fā)現讓自旋電子學與納米光子學結合得更緊密，有望為大數據中心的數據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（TUK）的團隊開發(fā)出一種生成太赫茲波的新方法：利用磁性金屬納米結構中的量子磁電流，也稱為“自旋電流”。

今天，筆者要再介紹一項有關自旋電子學的前沿科技成果。近日，荷蘭格羅寧根大學的物理學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。這標志著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。這些自旋電子器件比傳統(tǒng)的電子器件更加節(jié)能。

為了實現這個目標，科學家需要進行很多步研究，并需要獲取很多基礎知識。格羅寧根大學澤尼克先進材料研究所（Zernike Institute of Advanced Materials）物理學教授Bart van Wees的納米器件物理小組在這個領域處于前沿地位。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，無法進入磁體的電子彈了回來。“當這個現象發(fā)生時，電子的自旋從向上翻轉至向下個，或者相反。然而，這引起了YIG內部的平行自旋翻轉，從而產生了磁振子?！贝耪褡哟┰讲牧希⑶冶坏诙€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在，我們已經進入下一步：我們希望影響傳輸?！笨茖W家通過在注入器與檢測器之間，使用第三個鉑帶，實現這個目標。施加正電流或者負電流，可以將額外的磁振子注入到導電通道中，或者從中耗盡磁振子。“這使得我們可以構建出類似場效應晶體管的器件。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量，從而關閉或者增加電流?！?/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閉磁振子電流，但是這個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 的導師 Bart van Wees表示還有另外一個有趣的觀點：“在一個較薄的器件中，增加通道中的磁振子數量到一定程度時，它們有可能形成一個玻色-愛因斯坦冷凝物。”這種現象造成了超導性。相對于只能在非常低的溫度下產生的普通超導性，這種超導性可以在室溫下產生。

這項研究制造出了YIG自旋晶體管，而且從長遠來看，這種材料甚至可以自造出自旋超導體。這個系統(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現，從而使得自旋器件可以兼容普通的電子器件。Van Wees 總結道：“我們的下一步就是看看，我們是否能夠實現這些愿望?！?/p>