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，德國亥姆霍茲德累斯頓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。

背景

近年來，小型化成為了電子器件的主要發展趨勢，電子元件的設計尺寸已縮小至納米級別。「摩爾定律」指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」

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摩爾定律-集成電路晶元上晶體管數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

長期以來，摩爾定律成為了信息技術世界中值得信賴的經驗法則。摩爾定律所預示的性能提升，為我們的數字化世界帶來了眾多的機遇。這些在我們今天看來理所當然的機遇，遍及從高速互聯網到智能手機的各個領域。但是，近年來摩爾定律似乎正在面臨嚴峻挑戰，晶元上晶體管的尺寸縮小與數量增加的速度正在放緩。

5納米堪稱晶體管的物理極限。低於這個極限值，「量子隧道效應」就會產生。由於量子隧道效應，電子不再受制於歐姆定律，穿越了原本無法穿越的勢壘。這樣就會引起集成電路的漏電現象，使晶體管變得不再可靠。

此外，由於傳統晶體管是基於電子的電荷特性製造的，隨著晶元上集成的晶體管數量不斷增加，電荷帶來的發熱問題將更加嚴重，將影響到晶元的處理速度與性能，阻礙電子器件的進一步小型化。

讓我們感到幸運的是，除了電荷這一特性之外，電子還有「自旋」的特性。自旋，是電子與生俱來的量子物理特性，可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。具有自旋特性的微小粒子，表現得如同圍繞著自己的軸持續旋轉，從而創造出了磁矩（磁矩可用於傳輸或存儲信息）。

（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。

基於磁振子的自旋晶體管（圖片來源：L. Cornelissen）

全碳自旋邏輯器件（圖片來源：參考資料【4】）

自旋轉移矩-磁性隨機存儲器 （圖片來源：參考資料【5】）

基於 MAPbBr3 的自旋LED器件（圖片來源：參考資料【6】）

在特定的磁材料例如鐵或鎳中，粒子的自旋通常是相互平行的。如果這些自旋的方向在某個地方被改變，這種改變會傳輸至相鄰的粒子，激發出可用於編碼和分發信息的自旋波。所謂的自旋波，是鐵磁體、亞鐵磁體、反鐵磁體中相互作用的自旋體系。它是由於各種激發作用而引起的集體運動，是一種發生於磁性材料中的特殊波。

自旋波，對於在更加緊湊的微晶元中傳輸信息來說，是一種很有前景的選擇。可是，迄今為止，有兩項基本挑戰使得自旋波的使用變得複雜化：第一，對於晶元上納米尺寸的結構來說，生成的波長不夠短；第二，沒有控制這些波的方法。

創新

為此，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森道夫研究中心（HZDR）的研究人員們正在探索和研究自旋波，或者說所謂的「磁振子（自旋波的元激發）」。他們與其他國家的夥伴們展開合作，成功地生成並控制波長極短的自旋波。

這些物理學們利用自然的磁現象實現了這一壯舉，並將相關成果發表在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》期刊上。

技術

HZDR離子束物理與材料研究所的博士 Sebastian Wintz 及其同事們一直都在尋找使用自旋波所遇到的兩個問題的解決辦法。

論文第一作者 Volker Sluka 博士表示：「與那些通常用於激發波的人造天線不同，我們現在使用了一種在材料中自然形成的天線。為此，我們製造了由兩個鐵磁碟組成微型元件，這些鐵磁碟通過一個釕墊片進行反鐵磁耦合。此外，我們挑選了這些盤的材料，使得自旋在空間中沿著特定的軸對齊，從而帶來期望的磁象。」

樣本布局與磁配置（圖片來源：參考資料【2】）

這種方法，在這兩層中創造出了不同磁化強度的區域，由所謂的「疇壁」隔開。然後，科學家們將這些層放到以千兆赫或者更高的頻率交替變化的磁場中。通過在亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心運用斯圖加特馬克斯普朗克智能系統研究所的X射線顯微鏡，他們觀察到了具有沿著垂直於疇壁方向傳輸的平行波前的自旋波。

疇壁中的自旋波（圖片來源：參考資料【2】）

Sluka 報告稱：「在之前的實驗中，這些波的漣漪看上去就像向水面扔一塊石頭所激起的。這並不是最佳的，因為隨著波向著所有方向擴散，這種振蕩消退得很快。為了保持同樣的相似性，這些波現在看上去就像它們通過水中長桿的前後移動產生出來的。」

沿著磁疇壁傳播的自旋波（圖片來源：HZDR / Juniks）

如X射線圖像所示，這些自旋波能以僅約為100納米的波長傳播幾微米，而沒有任何明顯的信號損失，這是在現代信息技術中應用的一個必要條件。此外，當他們將激發頻率設置得低於500兆赫時，物理學家們發現了一種控制這種新型信息載體的可能方法。於是，這些自旋波保持囚禁於疇壁中。Volker Sluka 表示：「在這種情況下，這些波甚至可以沿著曲線行進。不過，我們仍然可以檢測到這些信號。」

價值

通過他們的成果，研究人員們為進一步開發基於自旋波的電路奠定了重要基礎。從長遠來看，這將促進微處理器的全新設計。Sebastian Wintz 預測道：「採用磁場，我們可以相對容易地移動疇壁。這意味著，通過自旋波運行的晶元不一定需要一個預定的架構，但是他們之後可以被改變以適應新的任務。」

關鍵字

晶元、自旋、電子、磁學

參考資料

【1】http://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=57583&pNid=99

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41565-019-0383-4

【3】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

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

【5】https://www.mram-info.com/stt-mram

【6】Jingying Wang, Chuang Zhang, Haoliang Liu, Ryan McLaughlin, Yaxin Zhai, Shai R. Vardeny, Xiaojie Liu, Stephen McGill, Dmitry Semenov, Hangwen Guo, Ryuichi Tsuchikawa, Vikram V. Deshpande, Dali Sun, Z. Valy Vardeny. Spin-optoelectronic devices based on hybrid organic-inorganic trihalide perovskites. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-07952-x

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