美科學家發現控制不同自旋方向電子的方法

2020-12-05 中華人民共和國科學技術部

    美國加州大學物理學家近日在實驗室中的一次偶然發現，也許將改變計算機信息傳送和存儲的方式。這一發現將會極大助力於半導體自旋電子技術的發展，推動新型超高速計算機的產生。研究結果發表於最近一期《物理評論快報》上。
　　
    運算與數據存儲是半導體與磁性物質迄今為止最重要的應用之一，兩者構成了人們最為熟知的計算機。自旋電子可跨越半導體和磁性兩個領域，而對不同自旋方向的電子及其輸運性質的研究，會促進設計和開發新型電子器件，這正是自旋電子學科的主要任務。
　　
    此次意外的收穫建立在鐵磁/半導體結構之上。該結構又被稱為「磁隧道結」，其外觀酷似一個三明治，在鐵磁體與半導體之間有一個很薄的氧化鎂絕緣層。這一結構中兩種自旋方向的電子都可以自半導體穿過氧化鎂界面，最後到達磁鐵。
　　
    實驗中發現，簡單修改氧化鎂界面的厚度，便可控制自旋電子穿過的類型。其中當氧化鎂界面薄於2個原子層時，自旋向下的電子隧穿至鐵磁體，同時自旋向上的電子射回留在半導體內；當界面厚於6個原子層時，則無論自旋向上還是向下的電子都射回；而當其處於中間值，即厚度範圍在2至6個原子層之間時，屆面選擇性完全改變，向上自旋電子通過而向下自旋電子射回到半導體，導致自旋逆轉效應。以上結果認證了氧化鎂界面厚度具有的決定性作用。
　　
    專家表示這項結果有其背後的深遠意義：自旋狀態屬一種「能量獨立」的狀態，在理論上可確保即使在斷開電源時也具有保存數據的能力，同時能大大降低電子器件的耗電量。而利用自旋處理信息將會改變計算機傳送和儲存信息的方式，為計算機領域帶來巨大突破。 
 
（科技日報）

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