自旋電子學，取得重大進展！東京大學研究人員創造了一種電子元件，展示了對未來幾代計算邏輯和存儲設備非常重要的功能和能力。與以前嘗試創建具有相同行為的組件相比，電能效率提高了一到兩個數量級。這將在自旋電子學的新興領域得到應用。自旋電子學探索高性能、低功耗的邏輯和內存組件的可能性。它是基於將信息編碼成電子自旋的思想。
這是一個與角動量有關的性質，而不是通過使用電子包來表示位。開啟自旋電子學潛能的關鍵之一在於能夠快速有效地磁化材料。東京大學田中正明教授及其同事在這方面取得了重要突破。該團隊已經創造了一個組件，一個鐵磁性材料薄膜，其磁化可以完全逆轉的應用非常小的電流密度。這比以前的技術所要求的電流密度要小一到兩個數量級，所以這種裝置的效率要高得多，研究人員正在努力解決磁性存儲設備磁化逆轉所需的大功耗問題。
鐵磁性半導體材料鎵錳砷化鎵(GaMnAs)是這項任務的理想選擇，因為它是一種高質量單晶。較不有序的薄膜有翻轉電子自旋的不良傾向。這類似於電子材料中的電阻，科學家試圖降低這種低效率。研究小組在實驗中使用的GaMnAs膠片在另一方面也很特別。由於一種稱為分子束外延的製造工藝，它特別薄。用這種方法可以比其他嘗試使用多層薄膜而不是單層薄膜的類似實驗更簡單地構造器件。
沒有預料到這種材料的磁化強度會以如此低的電流密度逆轉，當發現這種現象時，研究人員非常驚訝。研究將促進材料開發的研究，以更有效地逆轉磁化，這反過來又將幫助研究人員實現自旋電子學有希望的發展，其研究發表在《自然通訊》上。自旋軌道轉矩(SOT)是由大自旋軌道耦合的平面內電流引起，它使一種通過電流注入來控制鐵磁體磁化的創新方法成為可能。在傳統SOT雙層系統中，磁化開關效率與界面質量和自旋霍爾效應的強度密切相關。
在垂直磁化的鐵磁半導體GaMnAs的單層中施加電流實現高效的全SOT切換，電流密度非常小，約為3.4cm×105cm，比典型的金屬雙層系統所需的電流密度小兩個數量級。這種低要求電流密度是由於GaMnAs固有的體反轉不對稱性，以及其高質量的單結晶度和大的自旋極化。研究成果將有助於磁性電子控制的發展及其在半導體器件中的實際應用。
博科園｜研究/來自：東京大學參考期刊《自然通訊》DOI: 10.1038/s41467-019-10553-x博科園｜科學、科技、科研、科普