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量子效應和磁性:讓石墨烯納米片有望用于新一代晶體管
來源: | 作者:三順納米 | 發布時間: 2018-03-16 | 1778 次瀏覽 | 分享到:

        自旋(Spin),是粒子的量子力學特性。Spintronics,即"自旋電子學 " ,是一項旨在操控電子自旋的前沿科技。傳統的電子器件,往往都是利用電荷運動形成的電流,傳輸和處理相關信息數據。然而,自旋電子學則利用了電子的自旋或磁矩作為信息載體。


        自旋電子學的相關應用包括:硬盤磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極管等。相比于傳統的微電子器件,自旋電子器件具有存儲密度高、能耗低、響應快等優勢。

        自旋電子學既可以用于數據存儲領域,也可以用于數據處理領域。在數據處理方面,先請大家看兩個例子:


1)美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家采用自旋電子學原理,設計出由石墨烯納米帶和碳納米管構成的全碳自旋邏輯器件。


(圖片來源于:參考資料【3】)


2)荷蘭格羅寧根大學的物理學家開發出的基于磁振子的自旋晶體管。



(圖片來源:L. Cornelissen)


        數據存儲方面,例如:新加坡國立大學發明的新型超薄多層膜,它能夠有效利用手型自旋結構單元"斯格明子"進行數據存儲。具有磁性斯格明子結構的材料,有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁自旋存儲器件的理想候選材料。


 
(圖片來源于:參考資料【4】)

        因此,我們可以想象,未來自旋電子學有望將數據的存儲和處理功能集成于同一器件,避免了數據存儲器和處理器之間來回移動,從而提升計算機的整體效率,帶來更快速、更節能的計算機。


創新

        今天,筆者要為大家介紹自旋電子學研究的又一重要進展。近日,意大利國際高等研究院(SISSA)科研團隊研究了一種微小的石墨烯納米薄片,對于納米電子學領域的應用來說,這將是一種非常有前途的材料。這項研究的參與者最近在《 納米快報(Nano Letters)》上發表了相關論文。這種六邊形的磁性納米結構可利用"量子效應"調制電流。


        下圖左方:由磁性納米片組成的自旋濾波器。以"向下"或者"向上"方式自旋的電子組成的電流以均等比例流過該設備。由于在自旋通道(例如:向下)中的破壞性干涉,出來的電流普遍由向上自旋的電子組成。在下圖右方:設備示意圖和自旋濾波器的效率圖。

 
(圖片來源于:Angelo Valli)


        Massimo Capone 領導了這項研究,研究中采用了理論分析和計算機仿真。最近,Massimo Capone 成為了《物理評論快報(Physical Review Letters)》(美國物理學會的著名雜志)雜志的杰出審稿人。論文的作者還包括: Angelo Valli 、 Adriano Amaricci 、Valentina Brosco。


技術

        Angelo Valli 和 Massimo Capone 解釋道:"我們能夠通過分析石墨烯納米薄片的特性,觀測到兩種關鍵現象。這種兩種現象都對于未來可能的應用來說都非常有價值。"第一種現象是電子之間的"干涉",它是一種量子現象:"在納米片中,如果我們在特定的組態中測量電流,電子會通過一種"破壞性"的方式相互干涉。這意味著沒有電流傳遞。它是一種典型的量子現象,只在非常微觀的尺度上才會發生。通過研究石墨烯薄片,我們認為有可能將這種現象帶到更大的系統中,從而進入到納米世界中,而且這種現象可以在這個級別上被觀測到,并在納米電子學中具有多個可能的用途。"這兩位研究人員在"量子干涉晶體管"中解釋了這種現象,破壞性干涉是"關"的狀態;然而,排除干涉條件后則是"開"的狀態,從而使得電流流動。


        然而,研究不止于此。研究人員演示,納米片顯現出前所未有的新磁性。例如,在整個石墨烯片中:"磁性自發地出現在邊緣,無需任何外部的干預。這樣便可以創造出自旋電流。"


價值

        研究人員解釋道,量子干涉和磁性現象相結合后,可以獲取到幾乎完整的自旋極化,這在自旋電子學領域具有巨大的潛力。這些特性可以被利用,例如,在存儲和信息處理技術中,把自旋理解為二進制代碼。電子自旋,是量子化的,只有兩種可能的狀態(我們稱之為"向上"或者"向下"),非常適合采用這種材料實現。


未來
        為了提高相關設備的效率以及電流極化的百分比,研究人員也開發了一種協議,設想在石墨烯薄片與六方氮化硼的表面之間進行交互。研究的領頭人 Massimo Capone 總結道:"獲取的結果非常有趣。這個現象有待實驗測試,從而使得我們確認理論上預測的結果。"


關鍵字
參考資料
【1】https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf
【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.

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