万亿分之一秒！超快自旋电子学，诱人的前景！

自从20世纪60年代以来，电子技术通过微处理器技术的不断改进而不断进步。然而，由于物理定律的限制，这一改进过程预计在不久的将来会停滞不前。其中一些瓶颈已经开始发挥作用。例如处理器的时钟速度在过去20年里没有超过几吉赫兹，或几次每秒的运算，这是由于硅的电阻造成的限制，这导致全球日益迫切地寻找半导体电子产品的更优替代品。自旋电子学是最主要的候选者之一，它基于通过电子自旋携带信息的思想。利用自旋电流传递信息是一个令人兴奋的前景，因为它比普通电流的能量消耗要低，但是还有许多实际困难需要克服。

博科园-科学科普：最严重的问题之一是自旋注入问题，即将自旋电流从一种材料转移到另一种材料(例如，从磁性金属转移到半导体)，这往往会打乱自旋，破坏它们所携带的信息。目前来自南洋理工大学、新加坡国立大学、新加坡科学技术研究局(a *STAR)以及美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组科学家在自旋电子学速度和效率方面取得了突破性进展。他们已经证明，一种超短的自旋电流脉冲，持续时间不到1皮秒(万亿分之一秒)，可以从金属中以惊人的效率注入到半导体中，打破之前自旋注入记录10000多次。

自旋注入实验的图解，图片：J. C. W. Song and Y. D. Chong

这些发现在最近发表在主要科学期刊《自然物理》和《先进材料》上。在这些实验中，将激光脉冲照射在磁性金属钴上产生超短的自旋电流脉冲。这就产生了一群具有自旋极化的激发态电子，这意味着自旋大部分指向相同的方向，自旋携带的电子向外运动，扩散到其他邻近的材料中。南洋理工大学助理教授、该研究小组成员马可?巴蒂亚托(Marco Battiato)表示：我们希望证明，这些超短的自旋电流脉冲可以用于高效的自旋注入，自旋电流脉冲的向外扩散发生在几百飞秒以上(一飞秒是千分之一皮秒)。这比传统的电子设备快1000倍，这使得它对未来的高速自旋电子设备非常有用。

四个团队成员的照片，从左到右：贾斯汀·c·宋教授，l·程教授，埃尔伯特·奇亚教授，还有马可·巴提托教授。图片：Mohamed Fadly

自旋扩散的极速虽然令人兴奋，但也使利用当今电子技术进行实验研究这一现象变得困难。在南大负责该项目的实验部分的副教授Elbert Chia说：我们必须设计出一种谨慎的策略来测量流入器件半导体部分的自旋电流，为了实现这一目标，使用了一种含有重元素的半导体，它能将自旋电流转换成超短波电流。然后整个样本变成一个电磁天线，以太赫兹频率(介于微波和红外光之间)发射辐射。可以测量辐射，然后反向计算出原始的自旋电流通过仔细选择自旋电子器件中的材料，研究小组能够得出结论，向半导体中注入了自旋极化电流。令人惊讶的是，这个自旋电流的强度竟然比之前的记录大一万倍以上。

四个团队成员的照片，由左至右：Marco Battiato教授、Justin c.w. Song教授、L. Cheng博士和Elbert Chia教授。图片：Mohamed Fadly

在真实的设备中，不需要如此强的自旋电流，因此人们可以避开相当弱的激励，在后续的实验中，研究人员已经能够确定自旋电流形成和衰减的时间。理论物理学家和国家研究基金会研究员(NRFF)，南洋大学助理教授Justin Song说：最引人注目的可能是，所有这些都是用一个简单的金属-半导体界面来演示，没有其他自旋电子学实验中看到的复杂和昂贵的结构工程，样品由新加坡国立大学杨贤秀副教授课题组制作。南洋大学助理教授Battiato说：这些结果代表了基于自旋电流超扩散的超快自旋电子学发展的一个基本步骤，在未来该团队设想这种高效的自旋注入过程将成为高速自旋电子计算机背后的关键技术之一。

博科园-科学科普｜研究/来自：南洋理工大学物理与数学科学学院

参考期刊文献: Nature Physics》,《Advanced Materials》

DOI: 10.1038/s41567-018-0406-3

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