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新研究推进了自旋电子学技术

加利福尼亚大学里弗赛德分校的工程师们已经报道了所谓的“自旋电子”设备的进步,这些设备将有助于实现计算和数据存储的新技术。他们开发了检测由低成本金属和硅制成的自旋电子元件信号的方法,克服了自旋电子学广泛应用的主要障碍。以前,这种装置依赖于使用稀有且昂贵的金属(如铂)的复杂结构。研究人员由机械工程助理教授Sandeep Kumar领导。

自旋电子设备有望解决当今电子计算机中的主要问题,因为计算机使用大量电力并产生热量,这需要消耗更多的能量来进行冷却。相比之下,自旋电子设备产生的热量很少,并且使用相对少量的电力。自旋电子计算机不需要能量来维持存储器中的数据。他们也会立即开始,并有可能比今天的计算机更强大。

虽然电子学依赖于电子的电荷来产生计算机数据的二进制或零,但是自旋电子学取决于被称为自旋的电子的性质。自旋电子材料通过电子的“向上”或“向下”自旋方向记录二进制数据 - 就像条形磁铁的北部和南部 - 在材料中。自旋电子器件发展的主要障碍是产生和检测自旋电子材料中的无穷小电自旋信号。

Kumar及其同事在1月出版的科学期刊“ 应用物理快报”上发表的一篇论文中报道了一种有效的技术,用于检测硅的简单双层夹层和称为坡莫合金的镍铁合金中的自旋电流。所有这三个组件都既便宜又丰富,可为商用自旋电子设备提供基础。它们也在室温下运行。这些层是用广泛使用的称为溅射的电子制造工艺制造的。该论文的共同作者是研究生Ravindra Bhardwaj和Paul Lou。

在他们的实验中,研究人员将坡莫合金硅双层夹层的一侧加热以产生温度梯度,从而在双层中产生电压。电压是由于称为自旋 - 塞贝克效应的现象引起的。工程师发现,由于另一种被称为“逆自旋霍尔效应”的现象,他们可以检测到双层中产生的“自旋电流”。

研究人员表示,他们的研究结果将适用于计算机存储器中的高效磁性切换,“这些科学突破可能会推动这些设备的发展”。更广泛地说,他们得出结论:“这些结果使无处不在的Si(硅)成为自旋电子学研究的前沿,并将为节能Si自旋电子学和Si自旋电子器件奠定基础。”

在另外两篇科学论文中,研究人员证明它们可以为硅中的自旋电子学材料(称为反铁磁性)产生关键性质。研究人员表示,这项成就为商业自旋电子学开辟了一条重要途径,因为硅价格低廉,可以使用成熟技术制造,并且在电子领域有着悠久的应用历史。

铁磁性是磁性材料的特性,其中原子的磁极在相同的方向上排列。相反,反铁磁性是相邻原子在相反方向上磁取向的性质。这些“磁矩”是由于原子中电子的自旋,并且是自旋电子学中材料应用的核心。

在这两篇论文中,Kumar和Lou报道了在晶体管和其他电子元件中使用的两种硅(称为n型和p型)中检测反铁磁性。N型半导体硅被“掺杂”物质,使其具有大量带负电的电子; 掺杂p型硅,使其具有大浓度的带正电的“空穴”。将这两种类型组合在一起可以切换诸如计算机存储器和其他电子设备中使用的晶体管之类的器件中

在磁性和磁性材料杂志的论文中,Lou和Kumar报道了在n-硅中检测自旋霍尔效应和反铁磁性。他们的实验使用了包括钯,镍铁坡莫合金,氧化锰和n-硅的多层薄膜。

在第二篇论文中,他们报道了在p-silicon自旋驱动的反铁磁性和金属与绝缘体性质之间的硅转变中的物理状态。这些实验使用类似于具有n-硅的薄膜。

研究人员在后一篇论文中写道:“观察到的出现反铁磁行为可能是Si(硅)自旋电子学的基础,并可能改变涉及Si薄膜的每个场。这些实验也使用简单的半导体电子物理学提出了对磁性行为的潜在电控制。观察到的相变的电阻和掺杂依赖性的大的变化促进了反铁磁和相变自旋电子器件的发展。“

在进一步的研究中,Kumar和他的同事正在开发技术,以在材料中开关自旋电流,最终目标是创建自旋晶体管。他们还致力于生产更大,更高电压的自旋电子芯片。Kumar表示,他们的工作成果可能是功耗极低,紧凑的发射器和传感器,以及高能效的数据存储和计算机存储器。

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