自旋电子学新突破：在简单材料中生成超短自旋波！
导读
近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所和亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心的研究人员组成的科研团队，成功地生成所谓的自旋波，比之前的方案更加简单高效。
背景
传统电子器件是通过电荷来传输和处理信息的。可是，电荷为传统电子器件带来了无法避免的问题：耗电和发热多。值得庆幸的是，电子还具有另一个内禀特性：自旋。自旋是粒子内禀角动量引起的内禀运动，要么“向上”，要么“向下”。
（图片来源：参考资料【2】）
研究电子自旋的科学称为“自旋电子学”。自旋可以被迅速改变，并且能避免电荷带来的发热问题，从而降低功耗。因此，自旋电子学有望使得计算机和智能手机等电子产品变得更快速、更节能。自旋电子学被认为是研究未来电子器件的一个非常有前景方向。
全碳自旋逻辑器件（图片来源：参考资料【3】）
创新
近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）和亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）的研究人员组成的科研团队，成功地生成所谓的自旋波，比之前的方案更加简单高效。研究人员们在《物理评论快报（Physical Review Letters）》期刊上发表了他们的研究成果。
下图所示：一个超短自旋波（红）通过铁镍层。朝着这一层的中心，在一种“结”中，磁方向（蓝色箭头）在上和下之间摇摆，而其他部分中的运动保持圆形，与磁转动相反。
（图片来源：HZDR / Juniks）
技术
现代计算机芯片都是基于电荷的输运。每次处理事件都会引起电流在电子器件中流动。这些电子会遭遇助力，即所谓的电阻，从而产生不受欢迎的热量。芯片上的结构越小，那么散热就越难。这种基于电荷的架构也是近年来处理器的时钟频率没有得到显著提升的部分原因。芯片性能和速度的这种优美稳定的发展曲线现在趋于平缓。HZDR 离子束物理与材料研究所的博士 Sebastian Wintz 表示：“现有的概念正在逼近极限。这就是为什么我们在研究新方案，自旋波。”
这种方案不再涉及电荷输运，而只是在磁性材料中传输电子的内禀角动量（自旋）。电子本身保持静止，只有他们的自旋发生改变。因为相邻电子的自旋会相互感知，一个自旋的变化会传输至邻居。结果就是磁信号像波一样穿过材料，即所谓的“自旋波”。
依靠自旋的元器件的优势在于，只会产生非常少的热量。这意味着其使用的能量非常少，这对于移动设备例如智能手机来说非常有价值。它也有可能为特定应用进一步缩小元件尺寸，因为自旋波的波长比移动通信等领域中使用的电磁信号更短。这意味着，我们可以向一个芯片上添加比现在更多的电路。
在做所有这些工作之前，我们首先需要许多基础研究。例如，我们需要知道如何有效生成自旋波。专家们尝试解决这个问题已有一段时间，他们将微米尺寸的金属条粘贴到薄薄的磁层上。一个交流电通过这个金属条，会创造出一个被限制在狭小空间中的磁场。然后，这个磁场会在磁层中激发自旋波。但是，这个方法有一个缺点：让生成的自旋波的波长小于金属条的宽度变得很困难。这一点不利于开发高度集成的纳米结构。
然而，这里还有另外一个选择：圆盘形的磁材料引起磁涡旋。磁涡旋核心的尺寸不超过10纳米。然后，磁场会使涡旋核心产生振荡，在这一层中激起自旋波。Wintz 报告称：“一段时间之前，我们需要相对复杂的多层材料来实现这个目标。现在，我们已经可以从非常简单的材料中的涡旋核心发出自旋波。”他们采用了一种厚度达100纳米的易于制造的铁镍合金层。
（图片来源：参考资料【4】）
价值
引人注目的是，生成的自旋波波长只有80纳米。Georg Dieterle 博士在 MPI-IS 攻读博士期间探索了这一现象。他表示：“专家们对于我们在如此简单的材料中做到了这一点感到非常惊讶。我们也没有预料到能够生成如此短的波，其频率处于吉赫兹范围的较低部分。”
专家们认为，短波长的原因存在于它们传输的方式中。靠近镍铁层的横截面中心，自旋波在磁形成了一种“结”。在结的内部，磁方向只向上或者向下振荡，而不是沿着其通常的圆形轨迹。
为了让这些现象可见，团队采用了位于亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心的电子存储环 BESSY II 中的一种特殊X射线显微镜。MPI-IS 的主任 Gisela Schütz 教授强调：“没有这个显微镜，我们无法观察到这些效应。”现在，专家们正在希望他们的成果将帮助深入开发自旋电子器件。Dieterle 表示：“例如，我们的涡旋核心可以作为一个局部、可控的源来探索潜在的现象和开发基于自旋波的组件的新概念。我们观察到的自旋波未来将与高度集成的电路相关。”
关键字
参考资料
【1】http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=57792
【2】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
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】G. Dieterle, J. Förster, H. Stoll, A. S. Semisalova, S. Finizio, A. Gangwar, M. Weigand, M. Noske, M. Fähnle, I. Bykova, J. Gräfe, D. A. Bozhko, H. Yu. Musiienko-Shmarova, V. Tiberkevich, A. N. Slavin, C. H. Back, J. Raabe, G. Schütz, S. Wintz. Coherent Excitation of Heterosymmetric Spin Waves with Ultrashort Wavelengths. Physical Review Letters, 2019; 122 (11) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117202
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