萬億分之一秒！超快自旋電子學，誘人的前景！

自從20世紀60年代以來，電子技術通過微處理器技術的不斷改進而不斷進步。然而，由於物理定律的限制，這一改進過程預計在不久的將來會停滯不前。其中一些瓶頸已經開始發揮作用。例如處理器的時鐘速度在過去20年里沒有超過幾吉赫茲，或幾次每秒的運算，這是由於硅的電阻造成的限制，這導致全球日益迫切地尋找半導體電子產品的更優替代品。自旋電子學是最主要的候選者之一，它基於通過電子自旋攜帶信息的思想。利用自旋電流傳遞信息是一個令人興奮的前景，因為它比普通電流的能量消耗要低，但是還有許多實際困難需要克服。

博科園-科學科普：最嚴重的問題之一是自旋注入問題，即將自旋電流從一種材料轉移到另一種材料(例如，從磁性金屬轉移到半導體)，這往往會打亂自旋，破壞它們所攜帶的信息。目前來自南洋理工大學、新加坡國立大學、新加坡科學技術研究局(a *STAR)以及美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一組科學家在自旋電子學速度和效率方面取得了突破性進展。他們已經證明，一種超短的自旋電流脈衝，持續時間不到1皮秒(萬億分之一秒)，可以從金屬中以驚人的效率注入到半導體中，打破之前自旋注入記錄10000多次。

自旋注入實驗的圖解，圖片：J. C. W. Song and Y. D. Chong

這些發現在最近發表在主要科學期刊《自然物理》和《先進材料》上。在這些實驗中，將激光脈衝照射在磁性金屬鈷上產生超短的自旋電流脈衝。這就產生了一群具有自旋極化的激發態電子，這意味著自旋大部分指向相同的方向，自旋攜帶的電子向外運動，擴散到其他鄰近的材料中。南洋理工大學助理教授、該研究小組成員馬可?巴蒂亞托(Marco Battiato)表示：我們希望證明，這些超短的自旋電流脈衝可以用於高效的自旋注入，自旋電流脈衝的向外擴散發生在幾百飛秒以上(一飛秒是千分之一皮秒)。這比傳統的電子設備快1000倍，這使得它對未來的高速自旋電子設備非常有用。

四個團隊成員的照片，從左到右：賈斯汀·c·宋教授，l·程教授，埃爾伯特·奇亞教授，還有馬可·巴提托教授。圖片：Mohamed Fadly

自旋擴散的極速雖然令人興奮，但也使利用當今電子技術進行實驗研究這一現象變得困難。在南大負責該項目的實驗部分的副教授Elbert Chia說：我們必須設計出一種謹慎的策略來測量流入器件半導體部分的自旋電流，為了實現這一目標，使用了一種含有重元素的半導體，它能將自旋電流轉換成超短波電流。然後整個樣本變成一個電磁天線，以太赫茲頻率(介於微波和紅外光之間)發射輻射。可以測量輻射，然後反向計算出原始的自旋電流通過仔細選擇自旋電子器件中的材料，研究小組能夠得出結論，向半導體中注入了自旋極化電流。令人驚訝的是，這個自旋電流的強度竟然比之前的記錄大一萬倍以上。

四個團隊成員的照片，由左至右：Marco Battiato教授、Justin c.w. Song教授、L. Cheng博士和Elbert Chia教授。圖片：Mohamed Fadly

在真實的設備中，不需要如此強的自旋電流，因此人們可以避開相當弱的激勵，在後續的實驗中，研究人員已經能夠確定自旋電流形成和衰減的時間。理論物理學家和國家研究基金會研究員(NRFF)，南洋大學助理教授Justin Song說：最引人注目的可能是，所有這些都是用一個簡單的金屬-半導體界面來演示，沒有其他自旋電子學實驗中看到的複雜和昂貴的結構工程，樣品由新加坡國立大學楊賢秀副教授課題組製作。南洋大學助理教授Battiato說：這些結果代表了基於自旋電流超擴散的超快自旋電子學發展的一個基本步驟，在未來該團隊設想這種高效的自旋注入過程將成為高速自旋電子計算機背後的關鍵技術之一。

博科園-科學科普｜研究/來自：南洋理工大學物理與數學科學學院

參考期刊文獻: Nature Physics》,《Advanced Materials》

DOI: 10.1038/s41567-018-0406-3

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