奇迹材料将自旋电子器件变为现实[CSIA]
 
 
奇迹材料将自旋电子器件变为现实
更新时间:2017-6-12 16:15:24  
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传统的电子元件通过电荷的流动来处理数据,正如大家所熟知的晶体管中,通电代表“1”,断电代表“0”。所以,自计算机发明以来,电流是所有二进制电子元件基础。
  
  然而,自旋电子学有望成为打破这一常规的新技术。
  
  该技术摒弃了电流的概念,而尝试利用电荷的另一更加基础的性质——自旋。
  
  自旋是基础粒子的内在秉性(intrinsicproperty)。运用于数据处理中,我们把自旋“向上”定义为“1”,自旋“向下”定义为“0”。自旋也是磁场微观起源,磁性金属的电子自旋方向一致,而非磁性金属的电子自旋方向混乱。
  
  电子自旋器件具有存储密度高、响应速度快等优点。一经应用,计算设备的运行效率、速度和存储容量都将得到极大提升,能量消耗也会随之降低,可以延长设备电池的使用寿命。另外,电子自旋材料并不激发磁场,因此不会对其他器件产生干扰,处理的数据也很难被监视。
  
  美国犹他大学的团队首次发现,有机-无机混合钙钛矿材料有望将自旋电子器件从理论变为现实。该材料满足了自选器件所需的两种截然相反的性质——较高的电子极化率,和较长的极化弛豫时间。也就是说,电子的自旋方向必须能被轻易改变,又能在较长时间内稳定地保持这一方向。
  
  “这是一种人们梦寐以求的电子元件,但找到同时具有两种性质的材料太难了。”该研究的第一作者,犹他大学的副教授SarahLi表示,“然而这种新材料却能够两者兼顾。”
  
  奇迹材料
  
  有机-无机混合钙钛矿材料早已在学术界小有名气,因为它在把光能转化为电能时效率极高。
  
  “这是一种难以置信的奇迹材料,”同为研究者的Z.ValyVardeny说道,“在短短几年之内,运用这一材料的太阳能板已达到了22%的效率,而现在我们又发现了它的自旋性质。这真是太难以置信了。”
  
  该材料的外壳被一层重金属元素所包围,而重元素的自旋更容易被操控,但是自旋方向的维持时间却很短,这就有点尴尬了。
  
  “大多数人在自旋维持时间上都不看好这种材料,说实话我们也十分惊讶,”Li表示道,“而且还不知道测得的驰豫时间为何如此长,但这可能是该材料本身内禀的一种性质。”
  
  由于电流的传递,传统手机、电脑必须使用必发888硅晶管作为材料。然而现在的集成电路越来越微小复杂,已经在物理性质上达到了一个微缩的上限。这是一个老掉牙的问题(摩尔定律),要解决该问题,除了同样老掉牙方案(量子计算机),还有我们今天主角——电子自旋材料。
  
  在该理论下,计算机能够在使用更少电荷的基础上处理更多信息,而且信息量再次呈指数形式上涨。
  
  “运用电子自旋学,我们对数据的处理不再依赖于电荷的数量,而且不再受限于晶体管的大小。唯一的限制就是电荷间磁矩的长度,当然这比晶体管的长度小得多。”Vardeny说。
  
  如何制备自旋?
  
  制备电子自旋就像为一把吉他调音,只不过调音器换成了镭射枪和平面镜。
  
  首先,研究者制造了一层杂化钙钛矿铅碘铵薄片,然后将其暴露在频率为八千万赫兹的脉冲激光之下。具体来说,激光被分成了两束。第一束直击薄片,并把电子调制成特定的自旋方向;第二束在一系列平面镜之间来回反射,最后以逐渐变慢的平率射向薄片以测量自旋的弛豫时间。
  
  研究发现,钛矿铅的弛豫时间意外的长——居然能维持到纳秒以上(DT君表示这很长吗...)。自旋在一纳秒之内翻转了几次,也就是说在短短一纳秒之内,信息就能被处理及储存。
  
  在测定弛豫时间之后,研究者便开始测试其电子极化率,也就是探究该如何利用操控钛矿铅的电子自旋。
  
  “自旋就像指南针,”Li描述道,“当你把自旋方向设定为‘上’,将其定义为‘1’,然后将其置于磁场中使方向改变180度,那么它就从‘1’变成了‘0’;如果改变360度,那么它就维持‘1’不变。”
  
  他们发现在强大的磁场下,自旋能够翻转十次以上。Vardeny认为这一材料的潜力是巨大的,它对数据的处理更快且具有更多的随机内存(random-accessmemory)。
  
  “重要的话说三次,这是一种奇迹材料”,Vardeny重申。
  
 
来源:DeepTech深科技        
 
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