隨著現(xiàn)代電子設(shè)備接近摩爾定律的極限以及集成電路設(shè)計(jì)中功耗的持續(xù)挑戰(zhàn)，有必要探索傳統(tǒng)電子產(chǎn)品之外的替代技術(shù)。自旋電子學(xué)代表了一種可以解決這些問題并提供實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)備的潛力的方法。
新加坡國立大學(xué)(NUS)物理系和材料科學(xué)與工程系的BarbarosÖzyilmaz教授和AhmetAvsar助理教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組之間的合作取得了重大突破，發(fā)現(xiàn)了高度二維黑磷的各向異性自旋輸運(yùn)性質(zhì)。
與電子設(shè)備中電荷的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)相反，自旋電子學(xué)專注于操縱電子“自旋”固有特性的開創(chuàng)性設(shè)備。與電子中的電荷類似，自旋賦予電子一種旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，就像它們繞軸旋轉(zhuǎn)一樣，使它們的行為就像微小的磁鐵一樣，具有大小和方向。
電子自旋可以以兩種狀態(tài)之一存在，稱為自旋“向上”或自旋“向下”。這類似于順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
傳統(tǒng)電子設(shè)備通過在電路中移動(dòng)電荷來工作，而自旋電子學(xué)則通過操縱電子自旋來工作。這很重要，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)電路周圍移動(dòng)電荷必然會(huì)導(dǎo)致一些功率以熱量的形式損失，而自旋運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上不會(huì)消散那么多的熱量。這一特性可能允許低功耗設(shè)備運(yùn)行。
研究人員對使用原子薄極限的材料來研究自旋“通道”的特性特別感興趣，這些材料就像可以促進(jìn)自旋傳輸?shù)碾娋€。
Özyilmaz教授強(qiáng)調(diào)了自旋電子學(xué)器件中材料選擇的重要性，他說：“選擇正確的材料對于自旋電子學(xué)至關(guān)重要。高性能和功能性的自旋通道材料是自旋電子學(xué)器件的支柱，使我們能夠操縱和控制各種應(yīng)用的自旋。”
黑磷就是這樣一種新興材料，因其良好的自旋電子學(xué)特性而受到關(guān)注。黑磷具有獨(dú)特的褶皺晶體結(jié)構(gòu)，這意味著其自旋行為也取決于其方向。
Avsar教授表示：“黑磷表現(xiàn)出高度各向異性的自旋輸運(yùn)，這與傳統(tǒng)自旋通道材料中正常的各向同性行為不同。其晶體結(jié)構(gòu)賦予自旋輸運(yùn)方向性特征，為控制自旋電子器件提供了新的可能性。”
研究人員制造了超薄的基于黑磷的自旋閥，封裝在六方氮化硼層之間。通過將自旋注入裝置一端的黑磷，并通過改變自旋流的方向來測量另一端的自旋信號，研究了自旋輸運(yùn)各向異性。
在垂直于黑磷層施加強(qiáng)磁場的同時(shí)進(jìn)行測量，并將其與施加弱磁場時(shí)的測量進(jìn)行比較。
研究人員觀察到，施加強(qiáng)磁場會(huì)導(dǎo)致自旋信號大幅增加。這種效應(yīng)源于褶皺晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)閺?qiáng)磁場迫使自旋指向材料平面之外，改變它們與周圍環(huán)境的相互作用，并將其壽命延長六倍。
這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，超薄黑磷使用背柵表現(xiàn)出電可調(diào)的納秒自旋壽命。特殊的自旋各向異性，加上電調(diào)制自旋輸運(yùn)的能力，使得能夠創(chuàng)造出不僅由自旋的二元狀態(tài)(向上或向下)控制的新穎器件，而且還利用自旋各向異性來實(shí)現(xiàn)方向控制。
這使得黑磷成為一種獨(dú)特的自旋操縱平臺，這是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)步。
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