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近日，荷蘭格羅寧根大學的物理學家僅僅使用簡單的直流電流，就改變了通過磁體中的自旋波。 這標誌著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。 這些自旋電子器件比傳統的電子器件更加節能。
背景
自旋 是電子的量子力學特性。 簡單地說，自旋讓電子的表現如同小型磁羅盤針，可以指向上方或者下方。 自旋可以用於傳輸或者存儲信息，相比 普通的微電子器件， 通過自旋電子學創造出的自旋電子器件優勢在於：產生的熱量非常少、啟動速度快、存儲數據的能耗幾乎為零等等。
在“ 馮·諾依曼體系結構 ”的傳統計算機中，數據存儲（使用磁過程）和數據處理（電子晶體管）使用的是獨立的器件，因此數據需要在 存儲器和處理器之間來回移動，由於存儲器與處理器在速度上的不匹配，造成了傳統計算機的性能瓶頸。
然而，自旋電子學有望將存儲和處理數據的功能，集成到一個器件中，避免了存儲器和處理器之間的數據來回移動。 此外，自旋還能夠以一種非易失的方式存儲數據。 這意味著，相對於普通的RAM存儲器來說，這種存儲方式無需能量。 所有這些都顯示：自旋電子學有望帶來更快速、更節能的計算機。
下面，回顧一下筆者介紹過的自旋電子器件的研究案例。
1）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家 設計出的 全碳自旋邏輯器件 ，完全由碳構成，採用了自旋電子學原理。 該器件的 尺寸比矽晶體管更小，性能卻更佳， 未來將有望取代矽晶體管。
（圖片來源於:參考資料【2】）
2） 荷蘭代爾夫特理工大學（ TU Delft ） 教授 Vandersypen 領導的 科學家團隊在矽量子芯片中將 電子自旋的量子信息成功傳送至光子 ， 對於跨越芯片連接量子位和擴大量子位的數量來說，這一點非常重要。
3） 荷蘭 代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所 （ Kavli Institute of Nanoscience Delft ）與荷蘭科學研究組織 AMOLF 研究所合作，開發出一種在室溫下 將自旋信息轉化為 可預見的光信號的方法 。 這一發現讓自旋電子學與納米光子學結合得更緊密，有望為大數據中心的數據處理開闢一條更加節能的途徑。
（圖片來源： TU Delft ）
4） 美國加州大學河濱分校工程師們報告了幾項有關 “自旋電子”器件的研究新進展 ，有望幫助我們走向新一代計算和數據存儲技術。 在一篇發表於科學雜誌《應用物理快報》（ Applied Physics Letters ）的論文（ 參考資料【3】 ）中， Kumar 及其同事們報告了一種在簡單的兩層三明治狀的矽和 鎳鐵導磁合金（ Permalloy ）中 ，檢測自旋電流的高效技術。 在一篇發表於《磁學和磁性材料》（ Magnetism and Magnetic Materials ）雜誌的論文 （ 參考資料【5】 ） 中，Lou 和 Kumar 報告了他們在N型矽中，檢測到了自旋霍爾效應和反鐵磁性。 此外，在科學雜誌《 physica status
solidi 》 上發表的論文 （ 參考資料【4】 ） 中，他們報告了P型矽自旋驅動的反鐵磁性，以及矽在金屬和絕緣體之間的特性轉變。
5）德國凱澤斯勞滕工業大學（ TUK ）的團隊開發出一種 生成太赫茲波的新方法 ： 利用磁性金屬納米結構中的量子磁電流，也稱為“自旋電流”。
（圖片來源： TUK ）
創新
今天，筆者要再介紹一項有關自旋電子學的前沿科技成果。 近日，荷蘭格羅寧根大學的物理學家 僅僅使用簡單的直流電流，就 改變了通過磁體中的自旋波。 這標誌著朝著構造自旋電子器件的自旋晶體管的目標邁出了一大步。 這些自旋電子器件比傳統的電子器件更加節能。 研究成果發表於3月2日的《物理評論快報（ Physical Review Letters ）》雜誌。
（圖片來源： 格羅寧根大學 ）
技術
為了實現這個目標，科學家需要進行很多步研究，並需要獲取很多基礎知識。 格羅寧根大學 澤尼克先進材料研究所（ Zernike
Institute of Advanced Materials ）物理學教授 Bart van Wees 的納米器件物理小組在這個領域處於前沿地位。 在最新的論文中，他們展示了一種基於 磁振子 的自旋晶體管。
（圖片來源： L. Cornelissen ）
磁振子 ，或者自旋波，是指序磁性(鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁)體中相互作用的自旋體係由於各種激發作用引起的集體運動，是一種發生於磁性材料中的特殊 的波。 論文的首作者、 Van Wees 研究組的博士生 Ludo Cornelissen 解釋道：“你可以將磁振子視為一種波或者粒子，就像電子一樣。”
在實驗中， Cornelissen 和 Van Wees 在具有磁性的電氣絕緣材料中生成了磁振子。 電子無法穿過磁體，但是自旋波卻可以，這就像體育場中的人浪在運動，而觀眾卻停留在原處。 Cornelissen 使用了鉑帶將 磁振子注入到由釔鐵石榴石（YIG）組成的磁體中。 “當電流通過這個帶的時候，與重原子產生交互作用，發生散射，這個過程被稱為自旋霍爾效應。這種散射取決於電子的自旋，所以向上自旋和向下自旋的 電子相互分開。”
在鉑 和YIG的界面上，無法進入磁體的電子彈了回來。 “當這個現象發生時，電子的自旋從向上翻轉至向下個，或者相反。然而，這引起了YIG內部的平行自旋翻轉，從而產生了磁振子。”磁振子穿越材料，並且被第 二個 鉑 帶檢測到。
“我們不久前就描述過這種通過磁場的自旋傳輸。現在，我們已經進入下一步：我們希望影響傳輸。”科學家通過在註入器與檢測器之間，使用第三個 鉑 帶 ，實現這個目標。 施加正電流或者負電流，可以將額外的磁振子注入到導電通道中，或者從中耗盡磁振子。 “這使得我們可以構建出類似場效應晶體管的器件。在這種晶體管中，柵極的電場能減少或者增加通道中自由電子的數量，從而關閉或者增加電流。”
Cornelissen 及其同事展示了，添加磁振子將增加自旋電流，同時耗盡它們將顯著降低自旋電流。 Cornelissen 表示：“儘管目前我們還未能完全地關閉磁振子電流，但是這個器件具備了晶體管的功能。”理論模型顯示，減少器件的厚度將增加磁振子的消耗，完全地阻止磁振子電流。
但是， Cornelissen 的導師 Bart van Wees 表示還有另外一個有趣的觀點：“在一個較薄的器件中，增加通道中的磁振子數量到一定程度時，它們有可能形成一個玻色-愛因斯坦冷凝物。”這種現象造成了 超導性。 相對於只能在非常低的溫度下產生的普通超導性，這種超導性可以在室溫下產生。
價值
這項研究製造出了YIG 自旋晶體管 ，而且從長遠來看，這種材料甚至可以自造出 自旋超導體 。 這個系統的美麗之處在於：自旋注入和自旋電流控制都可以通過簡單的直流電流實現，從而使得自旋器件可以兼容普通的電子器件。 Van Wees 總結道：“我們的下一步就是看看，我們是否能夠實現這些願望。”
關鍵字
參考資料
【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 Ni 80 Fe 20 /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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