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由于大跃进 研究人员致力于旋电子应用

2019-03-13 17:18:53来源:

电流驱动我们所有的电子设备。新兴的自旋电子学领域希望用所谓的自旋电流代替电流。东京大学的研究人员在这方面取得了突破。他们发现磁自旋霍尔效应可能导致低功耗,高速和高容量器件。他们创建了可以进一步研究潜在应用的样本设备。

“电力照亮了世界,电子设备将它连接起来,”固态物理研究所的Yoshichika Otani教授说。“自旋电子学将是这次游行的下一步,我们只能想象它可能带来的进步。”

什么是自旋电子学?我们为什么要兴奋?

“本质上,自旋电子学用于传递信息,我们一直使用电流,”大谷继续说,“但自旋电子学提供了一系列优势,其中一些我们刚刚开始理解。”

目前,电气和电子设备的功率效率是技术发展的限制因素。问题在于电流的性质,电子形式的电荷流动。当电子穿过电路时,它们会因废热而损失一些能量。自旋电子学改善了这种情况 - 而不是运动,它利用电子的另一种特性来传递信息,它们的角动量或“旋转”。

“在自旋电流中,电子仍然会移动但远低于充电电流,”大谷解释道。“这是电子的运动,通常会导致阻力和废热。当我们减少对这么多电子运动的需求时,我们会大大提高效率。”

为了证明这种现象,研究人员创造了一种称为“非共线反铁磁体”的新型材料--Mn3Sn,它是一种特殊的磁体。在日常的磁铁 - 或铁磁体 - 如你可能在冰箱门上发现的那样,电子的旋转平行排列,使材料充满磁性效应。在该反铁磁体中,电子的自旋排列成三角形排列,使得没有一个方向普遍存在并且磁效应被有效地抑制。

当一个小电流被馈入Mn3Sn并且以恰当的方式向其施加磁场时,电子根据它们的自旋和电流流动自我排序。这是磁自旋霍尔效应,并且该过程可以通过磁反自旋霍尔效应反转以从自旋电流获得电流。

在Mn3Sn中,相似的自旋倾向于积聚在材料的表面上,因此它被切割成薄层以最大化其表面积,从而使样品携带的自旋电流的能力最大化。研究人员已将这种材料嵌入到功能装置中,作为可能应用的试验台,并为前景感到兴奋。

“电气系统的功率效率足以激起一些人的兴趣,但使用反铁磁体产生自旋电流也可以改善技术的其他方面,”大谷说。“反铁磁体更容易小型化,在更高的频率下工作,并且比铁磁体更密集地堆积。”

但这些想法如何转化为应用?

“小型化意味着自旋电子设备可以制成微芯片,”大谷继续说道。“高频意味着自旋电子芯片在运行速度方面可以胜过电子芯片,而更高的密度会带来更大的存储容量。室温下自旋电流的低耗散也会进一步提高电源效率。”

基于传统自旋霍尔效应的器件已经存在于自旋电子学研究中,但磁旋转霍尔效应和所用的新材料可以极大地改善各种技术。

“还有很多工作要做,包括探索我们调查现象背后的基本原则,”大谷总结道。“在奇异材料的神秘面纱的推动下,我很高兴能成为这场技术革命的一部分。”