万亿分之一秒！超快自旋电子学，诱人的前景！
自从20世纪60年代以来，电子技术通过微处理器技术的不断改进而不断进步。然而，由于物理定律的限制，这一改进过程预计在不久的将来会停滞不前。其中一些瓶颈已经开始发挥作用。例如处理器的时钟速度在过去20年里没有超过几吉赫兹，或几次每秒的运算，这是由于硅的电阻造成的限制，这导致全球日益迫切地寻找半导体电子产品的更优替代品。自旋电子学是最主要的候选者之一，它基于通过电子自旋携带信息的思想。利用自旋电流传递信息是一个令人兴奋的前景，因为它比普通电流的能量消耗要低，但是还有许多实际困难需要克服。
博科园-科学科普：最严重的问题之一是自旋注入问题，即将自旋电流从一种材料转移到另一种材料(例如，从磁性金属转移到半导体)，这往往会打乱自旋，破坏它们所携带的信息。目前来自南洋理工大学、新加坡国立大学、新加坡科学技术研究局(a *STAR)以及美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组科学家在自旋电子学速度和效率方面取得了突破性进展。他们已经证明，一种超短的自旋电流脉冲，持续时间不到1皮秒(万亿分之一秒)，可以从金属中以惊人的效率注入到半导体中，打破之前自旋注入记录10000多次。
自旋注入实验的图解，图片：J. C. W. Song and Y. D. Chong
这些发现在最近发表在主要科学期刊《自然物理》和《先进材料》上。在这些实验中，将激光脉冲照射在磁性金属钴上产生超短的自旋电流脉冲。这就产生了一群具有自旋极化的激发态电子，这意味着自旋大部分指向相同的方向，自旋携带的电子向外运动，扩散到其他邻近的材料中。南洋理工大学助理教授、该研究小组成员马可•巴蒂亚托(Marco Battiato)表示：我们希望证明，这些超短的自旋电流脉冲可以用于高效的自旋注入，自旋电流脉冲的向外扩散发生在几百飞秒以上(一飞秒是千分之一皮秒)。这比传统的电子设备快1000倍，这使得它对未来的高速自旋电子设备非常有用。
自旋扩散的极速虽然令人兴奋，但也使利用当今电子技术进行实验研究这一现象变得困难。在南大负责该项目的实验部分的副教授Elbert Chia说：我们必须设计出一种谨慎的策略来测量流入器件半导体部分的自旋电流，为了实现这一目标，使用了一种含有重元素的半导体，它能将自旋电流转换成超短波电流。然后整个样本变成一个电磁天线，以太赫兹频率(介于微波和红外光之间)发射辐射。可以测量辐射，然后反向计算出原始的自旋电流通过仔细选择自旋电子器件中的材料，研究小组能够得出结论，向半导体中注入了自旋极化电流。令人惊讶的是，这个自旋电流的强度竟然比之前的记录大一万倍以上。
在真实的设备中，不需要如此强的自旋电流，因此人们可以避开相当弱的激励，在后续的实验中，研究人员已经能够确定自旋电流形成和衰减的时间。理论物理学家和国家研究基金会研究员(NRFF)，南洋大学助理教授Justin Song说：最引人注目的可能是，所有这些都是用一个简单的金属-半导体界面来演示，没有其他自旋电子学实验中看到的复杂和昂贵的结构工程，样品由新加坡国立大学杨贤秀副教授课题组制作。南洋大学助理教授Battiato说：这些结果代表了基于自旋电流超扩散的超快自旋电子学发展的一个基本步骤，在未来该团队设想这种高效的自旋注入过程将成为高速自旋电子计算机背后的关键技术之一。
博科园-科学科普｜研究/来自：南洋理工大学物理与数学科学学院
参考期刊文献: Nature Physics》,《Advanced Materials》
DOI: 10.1038/s41567-018-0406-3
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自旋电子学迎来新突破 研究团队释放径向漩涡的能量
然而，大多数磁纹理的产生和稳定仅限于少数几种材料，而且只能在非常特殊的条件下（温度、磁场......）实现。
由 HZB 物理学家 Sergio Valencia 博士领导的一个国际合作小组现已研究出一种新方法，可用于在各种化合物中创建和稳定复杂的自旋纹理，如径向漩涡。在径向旋涡中，磁化指向或远离结构中心。这种类型的磁性构造通常非常不稳定。在这种新方法中，径向漩涡是在超导结构的帮助下产生的，而其稳定则是通过表面缺陷的存在来实现的。
Sergio Valencia 领导的研究小组在 BESSY II 使用 XMCD 光发射电子显微镜对样品进行了分析。图像显示了一个圆形和一个方形样品中径向排列的自旋纹理，这两个样品由超导 YBCO 岛上的铁磁材料组成。白色箭头表示入射的 X 射线束。图片来源：© HZB
超导 YBCO-Islands
样品由微米大小的由高温超导体 YBCO 制成的岛屿组成，在这些岛屿上沉积了铁磁化合物。当样品冷却到 92 开尔文（-181 °C）以下时，YBCO 进入超导状态。在这种状态下，施加外部磁场，然后立即移除。这一过程允许磁通量子的穿透和钉住，进而产生磁杂散场。正是这种杂散磁场在上覆铁磁层中产生了新的磁性微结构：自旋从结构中心向径向发射，就像径向漩涡一样。
随着温度的升高，YBCO 会从超导状态转变为正常状态。因此，YBCO 岛屿产生的杂散磁场会消失，磁性径向涡旋也应该消失。然而，HZB 研究人员及其合作者观察到，表面缺陷的存在阻止了这种情况的发生：径向漩涡部分保留了印记状态，即使在接近室温时也是如此。
"我们利用超导结构产生的磁场，在其上放置的铁磁体上形成特定的磁畴，并利用表面缺陷使其稳定。"瓦伦西亚解释说："这种磁性结构类似于天电离层，对自旋电子应用很有意义。"
几何结构至关重要
较小的印迹漩涡直径约为 2 微米，约为典型斯格明子的十倍。研究小组对具有圆形和方形几何结构的样品进行了研究，发现圆形几何结构提高了压印磁径向涡旋的稳定性。
"这是一种创建和稳定这种结构的新方法，它可以应用于各种铁磁材料。这些都为超导自旋电子学的进一步发展提供了良好的新前景。"
DOI: 10.1021/acsami.3c17671
编译来源：ScitechDaily
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