自旋电子学新进展：生成并控制波长极短的自旋波！
导读
近日，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心以及其他国家的科研人员们合作，成功生成并控制波长极短的自旋波。这项研究为进一步开发基于自旋波的电路奠定了重要基础。
背景
近年来，小型化成为了电子器件的主要发展趋势，电子元件的设计尺寸已缩小至纳米级别。“摩尔定律”指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
长期以来，摩尔定律成为了信息技术世界中值得信赖的经验法则。摩尔定律所预示的性能提升，为我们的数字化世界带来了众多的机遇。这些在我们今天看来理所当然的机遇，遍及从高速互联网到智能手机的各个领域。但是，近年来摩尔定律似乎正在面临严峻挑战，芯片上晶体管的尺寸缩小与数量增加的速度正在放缓。
5纳米堪称晶体管的物理极限。低于这个极限值，“量子隧道效应”就会产生。由于量子隧道效应，电子不再受制于欧姆定律，穿越了原本无法穿越的势垒。这样就会引起集成电路的漏电现象，使晶体管变得不再可靠。
此外，由于传统晶体管是基于电子的电荷特性制造的，随着芯片上集成的晶体管数量不断增加，电荷带来的发热问题将更加严重，将影响到芯片的处理速度与性能，阻碍电子器件的进一步小型化。
让我们感到幸运的是，除了电荷这一特性之外，电子还有“自旋”的特性。自旋，是电子与生俱来的量子物理特性，可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。具有自旋特性的微小粒子，表现得如同围绕着自己的轴持续旋转，从而创造出了磁矩（磁矩可用于传输或存储信息）。
（图片来源：参考资料【3】）
自旋电子器件，就是利用电子自旋特性制造出来的。它们耗电更少，发热更少，有望解决现代电子器件由于电荷而带来的发热问题，打造更节能、更快速、更可靠的新一代电子器件。
基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen）
全碳自旋逻辑器件（图片来源：参考资料【4】）
自旋转移矩-磁性随机存储器 （图片来源：参考资料【5】）
基于 MAPbBr3 的自旋LED器件（图片来源：参考资料【6】）
在特定的磁材料例如铁或镍中，粒子的自旋通常是相互平行的。如果这些自旋的方向在某个地方被改变，这种改变会传输至相邻的粒子，激发出可用于编码和分发信息的自旋波。所谓的自旋波，是铁磁体、亚铁磁体、反铁磁体中相互作用的自旋体系。它是由于各种激发作用而引起的集体运动，是一种发生于磁性材料中的特殊波。
自旋波，对于在更加紧凑的微芯片中传输信息来说，是一种很有前景的选择。可是，迄今为止，有两项基本挑战使得自旋波的使用变得复杂化：第一，对于芯片上纳米尺寸的结构来说，生成的波长不够短；第二，没有控制这些波的方法。
创新
为此，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心（HZDR）的研究人员们正在探索和研究自旋波，或者说所谓的“磁振子（自旋波的元激发）”。他们与其他国家的伙伴们展开合作，成功地生成并控制波长极短的自旋波。
这些物理学们利用自然的磁现象实现了这一壮举，并将相关成果发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。
技术
HZDR离子束物理与材料研究所的博士 Sebastian Wintz 及其同事们一直都在寻找使用自旋波所遇到的两个问题的解决办法。
论文第一作者 Volker Sluka 博士表示：“与那些通常用于激发波的人造天线不同，我们现在使用了一种在材料中自然形成的天线。为此，我们制造了由两个铁磁盘组成微型元件，这些铁磁盘通过一个钌垫片进行反铁磁耦合。此外，我们挑选了这些盘的材料，使得自旋在空间中沿着特定的轴对齐，从而带来期望的磁象。”
样本布局与磁配置（图片来源：参考资料【2】）
这种方法，在这两层中创造出了不同磁化强度的区域，由所谓的“畴壁”隔开。然后，科学家们将这些层放到以千兆赫或者更高的频率交替变化的磁场中。通过在亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心运用斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的X射线显微镜，他们观察到了具有沿着垂直于畴壁方向传输的平行波前的自旋波。
畴壁中的自旋波（图片来源：参考资料【2】）
Sluka 报告称：“在之前的实验中，这些波的涟漪看上去就像向水面扔一块石头所激起的。这并不是最佳的，因为随着波向着所有方向扩散，这种振荡消退得很快。为了保持同样的相似性，这些波现在看上去就像它们通过水中长杆的前后移动产生出来的。”
沿着磁畴壁传播的自旋波（图片来源：HZDR / Juniks）
如X射线图像所示，这些自旋波能以仅约为100纳米的波长传播几微米，而没有任何明显的信号损失，这是在现代信息技术中应用的一个必要条件。此外，当他们将激发频率设置得低于500兆赫时，物理学家们发现了一种控制这种新型信息载体的可能方法。于是，这些自旋波保持囚禁于畴壁中。Volker Sluka 表示：“在这种情况下，这些波甚至可以沿着曲线行进。不过，我们仍然可以检测到这些信号。”
价值
通过他们的成果，研究人员们为进一步开发基于自旋波的电路奠定了重要基础。从长远来看，这将促进微处理器的全新设计。Sebastian Wintz 预测道：“采用磁场，我们可以相对容易地移动畴壁。这意味着，通过自旋波运行的芯片不一定需要一个预定的架构，但是他们之后可以被改变以适应新的任务。”
关键字
参考资料
【1】http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=57583&pNid=99
【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41565-019-0383-4
【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
【5】https://www.mram-info.com/stt-mram
【6】Jingying Wang, Chuang Zhang, Haoliang Liu, Ryan McLaughlin, Yaxin Zhai, Shai R. Vardeny, Xiaojie Liu, Stephen McGill, Dmitry Semenov, Hangwen Guo, Ryuichi Tsuchikawa, Vikram V. Deshpande, Dali Sun, Z. Valy Vardeny. Spin-optoelectronic devices based on hybrid organic-inorganic trihalide perovskites. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-07952-x
了解更多前沿技术，请点击“阅读原文”。