自旋电子器件及应用自旋电子学的进展：用于高密度自旋电子存储器件的高效磁化方向控制|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

自旋电子学的进展：用于高密度自旋电子存储器件的高效磁化方向控制

科学家们开发了一种高能效的策略，在室温下可逆地改变磁铁矿的 "自旋取向"或磁化方向。在过去的几十年里，传统的电子学在计算和信息技术方面已经迅速达到了它的技术极限，这就要求创新的设备超越单纯的电子电流操纵。

在这方面，自旋电子学，即研究利用电子的 "自旋"来执行功能的设备，是应用物理学中最热门的领域之一。但是，测量、改变以及一般来说，利用这一基本的量子特性进行工作并非易事。

目前的自旋电子器件--例如，磁隧道结--受到高功率消耗、低工作温度和材料选择方面的严重限制。为此，东京科学大学和日本国家材料科学研究所（NIMS）的一个科学家团队在ACS Nano上发表了一项研究，其中他们提出了一个令人惊讶的简单而有效的策略来操纵磁铁矿（Fe3O4）的磁化角，这是一种典型的铁磁性材料。

在施加外部电压后，锂离子流经还原-氧化晶体管并到达底部磁铁矿薄膜，改变其电荷载流子浓度并修改铁旋的方向。

该团队制造了一个全固态的还原-氧化（"氧化还原"）晶体管，其中包含氧化镁上的Fe3O4薄膜和掺有锆的硅酸锂电解质。锂离子在固体电解质中的插入使得在室温下实现磁化角的旋转成为可能，并大大改变了电子载流子密度。通过施加电压将固体电解质中的锂离子插入铁磁体，新开发的一种自旋电子装置可以以比自旋电流注入的磁化旋转中更低的功率消耗旋转磁化。这种磁化旋转是由电子注入铁磁体导致的自旋-轨道耦合的变化引起的。"

与之前依靠使用强大的外部磁场或注入自旋尾流的尝试不同，这种新方法利用了可逆的电化学反应。在施加外部电压后，锂离子从顶部的氧化钴锂电极迁移，在到达磁性Fe3O4层之前穿过电解质。这些离子然后插入磁铁矿结构中，形成LixFe3O4，并由于电荷载体的改变而导致其磁化角的可测量的旋转。

这种效应使科学家们能够将磁化角可逆地改变大约10°。尽管通过进一步提高外部电压实现了56°的更大旋转，但他们发现，磁化角不能完全被调回。

科学家们开发的新型装置代表了在控制磁化以开发自旋电子器件方面的一大步。此外，该装置的结构相对简单，易于制造。通过在室温下控制由于锂离子插入Fe3O4的磁化方向，已经使其有可能以比通过自旋电流注入的磁化旋转低得多的功率消耗运行。所开发的元件以一种简单的结构运行。

尽管要充分利用这种新装置还有更多的工作要做，但自旋电子学的即将兴起必将释放出许多新颖而强大的应用。

电子自旋高速操控实现高效低耗电子器件更“近”一步

来源：科技日报

科技日报讯（洪恒飞柯溢能记者江耘）科技日报记者5月6日从浙江大学获悉，该校物理学系郑毅研究员课题组与联合团队，首次在黑砷二维电子态中发现了外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应，实现了对自旋的高速精准控制；同时在全新的自旋—能谷耦合的Rashba物理现象中，发现了新奇的量子霍尔态。相关论文当天刊发于国际期刊《自然》。

电子是人们日常生活中熟悉的“陌生人”：每个电子携带一份内禀的电荷，其集体运动产生的电流驱动了照明、晶体管以及各种电子设备的运行。然而作为一种基本粒子，电子还携带另外一个基本物理量，即自旋。如何操控自旋，研制速度更快、能耗更低的电子器件是自上世纪90年代以来科学和工程领域孜孜追求的目标。

常见的晶体管运行，通过场效应在沟道中注入和抽离电荷实现开关。但作为与电荷具有同等内禀地位的自旋却极容易受到干扰，无法简单地生成运动控制阀门。“要实现自旋驱动的电子器件，就必须先有效地操控自旋的取向，进而可以用自旋阀门来控制电子的通过与否。”郑毅介绍说，重元素二维材料体系使得电子自旋的高速精准控制成为可能。

郑毅团队在对薄层黑砷微纳器件的研究中，成功发现加入外电场时，黑砷二维电子态系统的自旋轨道耦合效应可连续、可逆的打开和关闭。这也为后续自旋器件的开发找到了一个控制电子通行的高速开关。

“该研究将对高效率、低能耗自旋电子器件研制提供坚实基础，对进一步加深量子霍尔现象的理解，以及依托拓扑超导器件的量子计算研究具有积极意义。”谈及应用前景，郑毅说，未来，科研人员有望利用自旋轨道耦合实现高效的自旋调控，开发自旋场效应晶体管等电子元器件。