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量子效应和磁性:让石墨烯纳米片有望用于新一代晶体管
来源: | 作者:三顺纳米 | 发布时间: 2018-03-16 | 766 次浏览 | 分享到:

重庆百变王牌奖金 www.acrw.net         自旋(Spin),是粒子的量子力学特性。Spintronics,即"自旋电子学 " ,是一项旨在操控电子自旋的前沿科技。传统的电子器件,往往都是利用电荷运动形成的电流,传输和处理相关信息数据。然而,自旋电子学则利用了电子的自旋或磁矩作为信息载体。


        自旋电子学的相关应用包括:硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等。相比于传统的微电子器件,自旋电子器件具有存储密度高、能耗低、响应快等优势。

        自旋电子学既可以用于数据存储领域,也可以用于数据处理领域。在数据处理方面,先请大家看两个例子:


1)美国德克萨斯大学达拉斯分??蒲Ъ也捎米孕缱友г?,设计出由石墨烯纳米带和碳纳米管构成的全碳自旋逻辑器件。


(图片来源于:参考资料【3】)


2)荷兰格罗宁根大学的物理学家开发出的基于磁振子的自旋晶体管。



(图片来源:L. Cornelissen)


        数据存储方面,例如:新加坡国立大学发明的新型超薄多层膜,它能够有效利用手型自旋结构单元"斯格明子"进行数据存储。具有磁性斯格明子结构的材料,有望成为构建未来高密度、高速度、低能耗磁自旋存储器件的理想候选材料。


 
(图片来源于:参考资料【4】)

        因此,我们可以想象,未来自旋电子学有望将数据的存储和处理功能集成于同一器件,避免了数据存储器和处理器之间来回移动,从而提升计算机的整体效率,带来更快速、更节能的计算机。


创新

        今天,笔者要为大家介绍自旋电子学研究的又一重要进展。近日,意大利国际高等研究院(SISSA)科研团队研究了一种微小的石墨烯纳米薄片,对于纳米电子学领域的应用来说,这将是一种非常有前途的材料。这项研究的参与者最近在《 纳米快报(Nano Letters)》上发表了相关论文。这种六边形的磁性纳米结构可利用"量子效应"调制电流。


        下图左方:由磁性纳米片组成的自旋滤波器。以"向下"或者"向上"方式自旋的电子组成的电流以均等比例流过该设备。由于在自旋通道(例如:向下)中的破坏性干涉,出来的电流普遍由向上自旋的电子组成。在下图右方:设备示意图和自旋滤波器的效率图。

 
(图片来源于:Angelo Valli)


        Massimo Capone 领导了这项研究,研究中采用了理论分析和计算机仿真。最近,Massimo Capone 成为了《物理评论快报(Physical Review Letters)》(美国物理学会的著名杂志)杂志的杰出审稿人。论文的作者还包括: Angelo Valli 、 Adriano Amaricci 、Valentina Brosco。


技术

        Angelo Valli 和 Massimo Capone 解释道:"我们能够通过分析石墨烯纳米薄片的特性,观测到两种关键现象。这种两种现象都对于未来可能的应用来说都非常有价值。"第一种现象是电子之间的"干涉",它是一种量子现象:"在纳米片中,如果我们在特定的组态中测量电流,电子会通过一种"破坏性"的方式相互干涉。这意味着没有电流传递。它是一种典型的量子现象,只在非常微观的尺度上才会发生。通过研究石墨烯薄片,我们认为有可能将这种现象带到更大的系统中,从而进入到纳米世界中,而且这种现象可以在这个级别上被观测到,并在纳米电子学中具有多个可能的用途。"这两位研究人员在"量子干涉晶体管"中解释了这种现象,破坏性干涉是"关"的状态;然而,排除干涉条件后则是"开"的状态,从而使得电流流动。


        然而,研究不止于此。研究人员演示,纳米片显现出前所未有的新磁性。例如,在整个石墨烯片中:"磁性自发地出现在边缘,无需任何外部的干预。这样便可以创造出自旋电流。"


价值

        研究人员解释道,量子干涉和磁性现象相结合后,可以获取到几乎完整的自旋极化,这在自旋电子学领域具有巨大的潜力。这些特性可以被利用,例如,在存储和信息处理技术中,把自旋理解为二进制代码。电子自旋,是量子化的,只有两种可能的状态(我们称之为"向上"或者"向下"),非常适合采用这种材料实现。


未来
        为了提高相关设备的效率以及电流极化的百分比,研究人员也开发了一种协议,设想在石墨烯薄片与六方氮化硼的表面之间进行交互。研究的领头人 Massimo Capone 总结道:"获取的结果非常有趣。这个现象有待实验测试,从而使得我们确认理论上预测的结果。"


关键字
参考资料
【1】https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf
【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.