导读

近日，荷兰格罗宁根大学的物理学家仅仅使用简单的直流电流，就改变了通过磁体中的自旋波。这标志着朝着构造自旋电子器件的自旋晶体管的目标迈出了一大步。这些自旋电子器件比传统的电子器件更加节能。

背景

自旋是电子的量子力学特性。简单地说，自旋让电子的表现如同小型磁罗盘针，可以指向上方或者下方。自旋可以用于传输或者存储信息，相比普通的微电子器件，通过自旋电子学创造出的自旋电子器件优势在于：产生的热量非常少、启动速度快、存储数据的能耗几乎为零等等。

在“冯·诺依曼体系结构”的传统计算机中，数据存储（使用磁过程）和数据处理（电子晶体管）使用的是独立的器件，因此数据需要在存储器和处理器之间来回移动，由于存储器与处理器在速度上的不匹配，造成了传统计算机的性能瓶颈。

然而，自旋电子学有望将存储和处理数据的功能，集成到一个器件中，避免了存储器和处理器之间的数据来回移动。此外，自旋还能够以一种非易失的方式存储数据。这意味着，相对于普通的RAM存储器来说，这种存储方式无需能量。所有这些都显示：自旋电子学有望带来更快速、更节能的计算机。

下面，回顾一下笔者介绍过的自旋电子器件的研究案例。

1）美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出的全碳自旋逻辑器件，完全由碳构成，采用了自旋电子学原理。该器件的尺寸比硅晶体管更小，性能却更佳，未来将有望取代硅晶体管。

（图片来源于:参考资料【2】）

2）荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队在硅量子芯片中将电子自旋的量子信息成功传送至光子，对于跨越芯片连接量子位和扩大量子位的数量来说，这一点非常重要。

（图片来源：TU Delft）

3）荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）与荷兰科学研究组织 AMOLF 研究所合作，开发出一种在室温下将自旋信息转化为可预见的光信号的方法。这一发现让自旋电子学与纳米光子学结合得更紧密，有望为大数据中心的数据处理开辟一条更加节能的途径。

（图片来源：TU Delft）

4）美国加州大学河滨分校工程师们报告了几项有关“自旋电子”器件的研究新进展，有望帮助我们走向新一代计算和数据存储技术。在一篇发表于科学杂志《应用物理快报》（Applied Physics Letters）的论文（参考资料【3】）中，Kumar 及其同事们报告了一种在简单的两层三明治状的硅和镍铁导磁合金（Permalloy）中，检测自旋电流的高效技术。在一篇发表于《磁学和磁性材料》（Magnetism and Magnetic Materials）杂志的论文（参考资料【5】）中，Lou 和 Kumar 报告了他们在N型硅中，检测到了自旋霍尔效应和反铁磁性。此外，在科学杂志《 physica status solidi》上发表的论文（参考资料【4】）中，他们报告了P型硅自旋驱动的反铁磁性，以及硅在金属和绝缘体之间的特性转变。

5）德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）的团队开发出一种生成太赫兹波的新方法：利用磁性金属纳米结构中的量子磁电流，也称为“自旋电流”。

（图片来源：TUK）

创新

今天，笔者要再介绍一项有关自旋电子学的前沿科技成果。近日，荷兰格罗宁根大学的物理学家仅仅使用简单的直流电流，就改变了通过磁体中的自旋波。这标志着朝着构造自旋电子器件的自旋晶体管的目标迈出了一大步。这些自旋电子器件比传统的电子器件更加节能。研究成果发表于3月2日的《物理评论快报（Physical Review Letters）》杂志。

（图片来源：格罗宁根大学）

技术

为了实现这个目标，科学家需要进行很多步研究，并需要获取很多基础知识。格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所（Zernike Institute of Advanced Materials ）物理学教授 Bart van Wees 的纳米器件物理小组在这个领域处于前沿地位。在最新的论文中，他们展示了一种基于磁振子的自旋晶体管。

（图片来源：L. Cornelissen）

磁振子，或者自旋波，是指序磁性(铁磁、亚铁磁、反铁磁)体中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动，是一种发生于磁性材料中的特殊的波。论文的首作者、Van Wees 研究组的博士生 Ludo Cornelissen 解释道：“你可以将磁振子视为一种波或者粒子，就像电子一样。”

在实验中，Cornelissen 和 Van Wees 在具有磁性的电气绝缘材料中生成了磁振子。电子无法穿过磁体，但是自旋波却可以，这就像体育场中的人浪在运动，而观众却停留在原处。Cornelissen 使用了铂带将磁振子注入到由钇铁石榴石（YIG）组成的磁体中。“当电流通过这个带的时候，与重原子产生交互作用，发生散射，这个过程被称为自旋霍尔效应。这种散射取决于电子的自旋，所以向上自旋和向下自旋的电子相互分开。”

在铂和YIG的界面上，无法进入磁体的电子弹了回来。“当这个现象发生时，电子的自旋从向上翻转至向下个，或者相反。然而，这引起了YIG内部的平行自旋翻转，从而产生了磁振子。”磁振子穿越材料，并且被第二个铂带检测到。

“我们不久前就描述过这种通过磁场的自旋传输。现在，我们已经进入下一步：我们希望影响传输。”科学家通过在注入器与检测器之间，使用第三个铂带，实现这个目标。施加正电流或者负电流，可以将额外的磁振子注入到导电通道中，或者从中耗尽磁振子。“这使得我们可以构建出类似场效应晶体管的器件。在这种晶体管中，栅极的电场能减少或者增加通道中自由电子的数量，从而关闭或者增加电流。”

Cornelissen 及其同事展示了，添加磁振子将增加自旋电流，同时耗尽它们将显著降低自旋电流。Cornelissen 表示：“尽管目前我们还未能完全地关闭磁振子电流，但是这个器件具备了晶体管的功能。”理论模型显示，减少器件的厚度将增加磁振子的消耗，完全地阻止磁振子电流。

但是，Cornelissen 的导师 Bart van Wees 表示还有另外一个有趣的观点：“在一个较薄的器件中，增加通道中的磁振子数量到一定程度时，它们有可能形成一个玻色-爱因斯坦冷凝物。”这种现象造成了超导性。相对于只能在非常低的温度下产生的普通超导性，这种超导性可以在室温下产生。

价值

这项研究制造出了YIG自旋晶体管，而且从长远来看，这种材料甚至可以自造出自旋超导体。这个系统的美丽之处在于：自旋注入和自旋电流控制都可以通过简单的直流电流实现，从而使得自旋器件可以兼容普通的电子器件。Van Wees 总结道：“我们的下一步就是看看，我们是否能够实现这些愿望。”

关键字

自旋电子学、磁、晶体管、物理

参考资料

【1】https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2018/03/20180302_spintransistor

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

【3】Ravindra G. Bhardwaj, Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin Seebeck effect and thermal spin galvanic effect in Ni₈₀Fe₂₀/p-Si bilayers. Applied Physics Letters, 2018; 112 (4): 042404 DOI: 10.1063/1.5003008

【4】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Driven Emergent Antiferromagnetism and Metal-Insulator Transition in Nanoscale p-Si. physica status solidi (b), 2017; 1700545 DOI: 10.1002/pssb.201700545

【5】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Hall effect and emergent antiferromagnetic phase transition in n-Si. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018; 452: 129 DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.12.045

【6】L. J. Cornelissen, J. Liu, B. J. van Wees, and R. A. Duine. Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a three-terminal magnon transistor. Physical Review Letters, 2018; (accepted) [https://journals.aps.org/prl/accepted/3a07bYd7Xbf19c5259311415fd268dc4c4625d43b]

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