自旋電子學新突破:在簡單材料中生成超短自旋波!

2021-01-19 IntelligentThings

導讀


近日，德國馬克斯·普朗克智能系統研究所和亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫研究中心的研究人員組成的科研團隊，成功地生成所謂的自旋波，比之前的方案更加簡單高效。


背景


傳統電子器件是通過電荷來傳輸和處理信息的。可是，電荷為傳統電子器件帶來了無法避免的問題：耗電和發熱多。值得慶幸的是，電子還具有另一個內稟特性：自旋。自旋是粒子內稟角動量引起的內稟運動，要麼「向上」，要麼「向下」。


（圖片來源：參考資料【2】）


研究電子自旋的科學稱為「自旋電子學」。自旋可以被迅速改變，並且能避免電荷帶來的發熱問題，從而降低功耗。因此，自旋電子學有望使得計算機和智慧型手機等電子產品變得更快速、更節能。自旋電子學被認為是研究未來電子器件的一個非常有前景方向。


全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【3】）


創新


近日，德國馬克斯·普朗克智能系統研究所（MPI-IS）和亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫研究中心（HZDR）的研究人員組成的科研團隊，成功地生成所謂的自旋波，比之前的方案更加簡單高效。研究人員們在《物理評論快報（Physical Review Letters）》期刊上發表了他們的研究成果。


下圖所示：一個超短自旋波（紅）通過鐵鎳層。朝著這一層的中心，在一種「結」中，磁方向（藍色箭頭）在上和下之間搖擺，而其他部分中的運動保持圓形，與磁轉動相反。

（圖片來源：HZDR / Juniks）


技術


現代計算機晶片都是基於電荷的輸運。每次處理事件都會引起電流在電子器件中流動。這些電子會遭遇助力，即所謂的電阻，從而產生不受歡迎的熱量。晶片上的結構越小，那麼散熱就越難。這種基於電荷的架構也是近年來處理器的時鐘頻率沒有得到顯著提升的部分原因。晶片性能和速度的這種優美穩定的發展曲線現在趨於平緩。HZDR 離子束物理與材料研究所的博士 Sebastian Wintz 表示：「現有的概念正在逼近極限。這就是為什麼我們在研究新方案，自旋波。」


這種方案不再涉及電荷輸運，而只是在磁性材料中傳輸電子的內稟角動量（自旋）。電子本身保持靜止，只有他們的自旋發生改變。因為相鄰電子的自旋會相互感知，一個自旋的變化會傳輸至鄰居。結果就是磁信號像波一樣穿過材料，即所謂的「自旋波」。


依靠自旋的元器件的優勢在於，只會產生非常少的熱量。這意味著其使用的能量非常少，這對於行動裝置例如智慧型手機來說非常有價值。它也有可能為特定應用進一步縮小元件尺寸，因為自旋波的波長比移動通信等領域中使用的電磁信號更短。這意味著，我們可以向一個晶片上添加比現在更多的電路。


在做所有這些工作之前，我們首先需要許多基礎研究。例如，我們需要知道如何有效生成自旋波。專家們嘗試解決這個問題已有一段時間，他們將微米尺寸的金屬條粘貼到薄薄的磁層上。一個交流電通過這個金屬條，會創造出一個被限制在狹小空間中的磁場。然後，這個磁場會在磁層中激發自旋波。但是，這個方法有一個缺點：讓生成的自旋波的波長小於金屬條的寬度變得很困難。這一點不利於開發高度集成的納米結構。


然而，這裡還有另外一個選擇：圓盤形的磁材料引起磁渦旋。磁渦旋核心的尺寸不超過10納米。然後，磁場會使渦旋核心產生振蕩，在這一層中激起自旋波。Wintz 報告稱：「一段時間之前，我們需要相對複雜的多層材料來實現這個目標。現在，我們已經可以從非常簡單的材料中的渦旋核心發出自旋波。」他們採用了一種厚度達100納米的易於製造的鐵鎳合金層。


（圖片來源：參考資料【4】）


價值


引人注目的是，生成的自旋波波長只有80納米。Georg Dieterle 博士在 MPI-IS 攻讀博士期間探索了這一現象。他表示：「專家們對於我們在如此簡單的材料中做到了這一點感到非常驚訝。我們也沒有預料到能夠生成如此短的波，其頻率處于吉赫茲範圍的較低部分。」


專家們認為，短波長的原因存在於它們傳輸的方式中。靠近鎳鐵層的橫截面中心，自旋波在磁形成了一種「結」。在結的內部，磁方向只向上或者向下振蕩，而不是沿著其通常的圓形軌跡。


為了讓這些現象可見，團隊採用了位於亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心的電子存儲環 BESSY II 中的一種特殊X射線顯微鏡。MPI-IS 的主任 Gisela Schütz 教授強調：「沒有這個顯微鏡，我們無法觀察到這些效應。」現在，專家們正在希望他們的成果將幫助深入開發自旋電子器件。Dieterle 表示：「例如，我們的渦旋核心可以作為一個局部、可控的源來探索潛在的現象和開發基於自旋波的組件的新概念。我們觀察到的自旋波未來將與高度集成的電路相關。」


關鍵字


磁、自旋、電子


參考資料


【1】http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=57792

【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017).  DOI: 10.1038/ncomms15635

【4】G. Dieterle, J. Förster, H. Stoll, A. S. Semisalova, S. Finizio, A. Gangwar, M. Weigand, M. Noske, M. Fähnle, I. Bykova, J. Gräfe, D. A. Bozhko, H. Yu. Musiienko-Shmarova, V. Tiberkevich, A. N. Slavin, C. H. Back, J. Raabe, G. Schütz, S. Wintz. Coherent Excitation of Heterosymmetric Spin Waves with Ultrashort Wavelengths. Physical Review Letters, 2019; 122 (11) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117202



了解更多前沿技術，請點擊「閱讀原文」。


相關焦點

  • 在極其簡單的材料中產生超短自旋波
    這種方法不再涉及電荷的傳輸，而是只傳輸磁性材料中電子的固有角動量(自旋)。電子本身保持靜止，只有自旋發生變化。一種超短自旋波(紅色)穿過鎳鐵層，朝向層的中心，磁場方向(藍色箭頭)只以一種結的形式上下擺動，而其他部分的運動保持圓形——與磁旋轉的感覺相反。
  • 自旋電子學新進展:生成並控制波長極短的自旋波!
    導讀近日，德國亥姆霍茲德勒斯登羅森道夫研究中心以及其他國家的科研人員們合作，成功生成並控制波長極短的自旋波。這項研究為進一步開發基於自旋波的電路奠定了重要基礎。（圖片來源：參考資料【3】）自旋電子器件，就是利用電子自旋特性製造出來的。它們耗電更少，發熱更少，有望解決現代電子器件由於電荷而帶來的發熱問題，打造更節能、更快速、更可靠的新一代電子器件。基於磁振子的自旋電晶體（圖片來源：L.
  • 自旋電子學的新突破可能會推動高速數據技術的發展
    自旋電子學 ，英語：Spintronics，是自旋（spin）和電子學（electronics）的一個混成詞，是關於除了基本的電子電荷之外，在固態電子器件中電子內在自旋的及其關聯磁矩的研究的一門新興的學科和技術。
  • 國家重點研發計劃「自旋波電子學物理、材料與器件」啟動會在北京...
    2016年10月3-4日，由北京大學物理學院俞大鵬院士牽頭，北京大學、南京大學、電子科技大學、中國科學院物理研究所共同承擔的國家重點研發計劃「量子調控與量子信息」重點專項——「自旋波電子學物理、材料與器件」項目啟動會在北京大學物理學院召開。北京大學王傑副校長、科學研究部周輝部長應邀出席了會議。
  • 「自旋波電子學物理、材料與器件」香山科學會議在京召開
    2016年2月23～24日，香山科學會議第553次學術討論會在北京香山飯店召開，此次會議以「自旋波電子學物理、材料與器件」為主題，潘建偉教授、沈保根研究員、李樹深研究員和俞大鵬教授擔任會議執行主席
  • 在磁性材料中利用自旋波
    相反，高頻磁波即使在最小的納米結構中也可以傳播，進而輸送和處理信息。這種應用的物理基礎是磁性材料中所謂的電子自旋，其可以被簡化為電子繞自身軸的旋轉。然而，由於存在阻尼作用，自旋波會衰減，目前，微電子學中的自旋波只得到了有限的應用。
  • 基於自旋的量子計算的突破：物理學家實現可調諧的自旋波激發
    在Nano Letters中提出 的解決方案具有在節能信息傳輸和基於自旋的量子計算中的應用潛力。粒子的自旋是其固有的角動量，該角動量始終具有方向。在磁化材料中，自旋全部指向一個方向。這種磁階的局部破壞伴隨著自旋波的傳播，自旋波的量子被稱為磁振子。與電流不同，自旋波傳播不涉及物質轉移。結果，使用磁振子而不是電子來傳輸信息導致的熱損失要小得多。數據可以在自旋波的相位或幅度中進行編碼，並可以通過波幹擾或非線性效應進行處理。
  • 自旋波突破可能導致超低功耗非易失性存儲器
    我很高興有些人決定參加這門課程，因為他們是今天在量子技術方面取得突破的人。一些研究人員最近發表了一篇論文詳述了他們在自旋波電子學或自旋電子學中的發現。他們的啟示可能為實際的自旋電子設備鋪平了道路，比如記憶。這種存儲具有幾個優點，如非揮發性和超低功率操作。這些資產可以使其成為物聯網（IoT）等嵌入式應用的理想選擇，並使其成為快閃記憶體的重要競爭對手。
  • 大連理工大學在自旋電子學領域取得突破性研究進展
    大連理工大學在自旋電子學領域取得突破性研究進展 作者：謝小芳 2019-12-01 01:18   來源：大連日報   大連理工大學在自旋電子學領域取得突破性研究進展有望從根本上突破傳統晶片發熱耗電等瓶頸　　11
  • 自旋電子學領域獲突破性進展—新聞—科學網
    王譯在《科學》上發表自旋電子學領域突破性工作 11月29日，大連理工大學物理學院、三束材料改性教育部重點實驗室王譯教授與新加坡國立大學Hyunsoo Yang教授，在 《科學》上發表重要工作：利用自旋波翻轉磁矩實現數據存儲與邏輯運算。
  • 磁振子自旋電子學領域重要進展:新型自旋閥結構
    然而，自旋電子學卻是一門不同於傳統的新學科，它採用電子的自旋或磁矩作為信息載體。「磁振子自旋電子學」（magnons spintronics）是一個新興的科研領域。筆者曾多次介紹「自旋電子學」的概念。那麼「磁振子」（magnon）又是什麼呢？
  • 自旋電子學:新型材料中量子自旋液態的觀察
    量子物理學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解，世界各地的科學家們正在努力利用這一學科在工程應用中所獲得的新知識來引發技術革命。自旋電子學，英語：Spintronics，即是這樣的一個新興的領域，旨在通過使用電子自旋作為一種傳輸信息的方式，從而超越傳統電子學的極限。
  • 物理學院王譯教授在《Science》上發表自旋電子學領域突破性工作
    物理學院王譯教授在《Science》上發表自旋電子學領域突破性工作 2019-11-29 21:12 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 新型自旋電子器件用電磁波進行計算,耗電極少,幾乎不產生熱量
    「磁電自旋軌道」器件示意圖（圖片來源：英特爾） 自旋電子器件利用了具有晶格結構的磁性材料中的「自旋波」（電子的一種量子特性）。（圖片來源：麻省理工學院） 未來，成對的自旋波可通過雙通道饋送到電路中，根據不同的特性進行調製，並結合起來生成某些可測量的量子幹涉，類似於量子計算所用的光子波幹涉。研究人員假設，這種基於幹涉的自旋電子器件，像量子計算機一樣，可以執行傳統計算機難以應付的高度複雜的任務。
  • 新材料組合:為「自旋電子」隨機存取存儲器鋪路
    導讀據日本東京工業大學官網近日報導，該校科學家們開發出一款新的材料組合，它為磁隨機存取存儲器鋪平了道路。這種存儲器依賴電子的自旋特性，可超越目前的存儲器件。背景自旋電子學是一個現代技術領域。在該領域中，電子的「自旋」或者角動量在電子器件中扮演著主要角色。（圖片來源：參考資料【1】） 實際上，共同的自旋排列是磁性材料奇異特性的原因，它們在現代電子器件中廣泛使用。基於這種現象的器件具有各種各樣的應用，特別是非易失性存儲器，全世界的研究人員們一直在嘗試操控特定材料中的自旋相關特性。
  • 新型自旋電子器件用電磁波進行計算,結果如何
    自旋電子器件利用了具有晶格結構的磁性材料中的「自旋波」（電子的一種量子特性）。這種方案涉及調整自旋波特性，生成某些可測量的輸出，而這些輸出與計算相關。到目前為止，調整自旋波需要採用笨重的部件來注入電流。這些部件會引起信號噪聲，並有效地抹殺任何固有的性能增益。
  • 「電子自旋」或淘汰元件中的導體
    在電流的概念中，電子從導體中的一點運動到另外一點；然而，在自旋的概念中，電子能在無物理運動下將自旋轉移給其鄰近的電子。這種電子間的自旋相互作用將形成一種波，使得自旋能夠在無自由電子的絕緣材料中擴散研究人員利用了金剛石中的氮空位缺陷，這些"氮空位"（Nitrogen-Vacancy）缺陷可以增強絕緣體中的自旋電壓，從而使得探測變的更容易。
  • 無需電力,「波運算」邁出重要一步:MIT發明自旋波計算關鍵器件
    自旋波，則是在磁性材料中磁擾動的有序傳播，早在 1929 年就由費利克斯·布洛赫（ Felix Bloch ）預測。簡單來說，我們在高中物理中學到的「波」其實就是以波這種形狀進行傳播的能量或物質，比如常見的水波、聲波等。
  • 量子自旋液體中的非常規自旋輸運現象
    由於自旋的時間變異性，左側邊緣磁脈衝觸發的自旋激發態隨即轉化為馬約拉納費米子運動目前，電子設備性能已接近其理論極限。新興的自旋電子學有望徹底改變電子設備面貌，並成為開發量子計算機的關鍵。在自旋電子器件中，電子最重要的特徵是自旋性，這是一種涉及角動量的固有特性，也是固體中產生磁性現象的根本原因。全球物理學家都在努力尋找藉助材料生成、傳輸「自旋包」的實用方法。
  • 自旋電子學,取得重大突破!
    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。