美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)控制不同自旋方向電子的方法
美國(guó)加州大學(xué)物理學(xué)家近日在實(shí)驗(yàn)室中的一次偶然發(fā)現(xiàn)，也許將改變計(jì)算機(jī)信息傳送和存儲(chǔ)的方式。這一發(fā)現(xiàn)將會(huì)極大助力于半導(dǎo)體自旋電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)新型超高速計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。研究結(jié)果發(fā)表于最近一期《物理評(píng)論快報(bào)》上。
運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是半導(dǎo)體與磁性物質(zhì)迄今為止最重要的應(yīng)用之一，兩者構(gòu)成了人們最為熟知的計(jì)算機(jī)。自旋電子可跨越半導(dǎo)體和磁性兩個(gè)領(lǐng)域，而對(duì)不同自旋方向的電子及其輸運(yùn)性質(zhì)的研究，會(huì)促進(jìn)設(shè)計(jì)和開發(fā)新型電子器件，這正是自旋電子學(xué)科的主要任務(wù)。
此次意外的收獲建立在鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之上。該結(jié)構(gòu)又被稱為“磁隧道結(jié)”，其外觀酷似一個(gè)三明治，在鐵磁體與半導(dǎo)體之間有一個(gè)很薄的氧化鎂絕緣層。這一結(jié)構(gòu)中兩種自旋方向的電子都可以自半導(dǎo)體穿過(guò)氧化鎂界面，最后到達(dá)磁鐵。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單修改氧化鎂界面的厚度，便可控制自旋電子穿過(guò)的類型。其中當(dāng)氧化鎂界面薄于2個(gè)原子層時(shí)，自旋向下的電子隧穿至鐵磁體，同時(shí)自旋向上的電子射回留在半導(dǎo)體內(nèi)；當(dāng)界面厚于6個(gè)原子層時(shí)，則無(wú)論自旋向上還是向下的電子都射回；而當(dāng)其處于中間值，即厚度范圍在2至6個(gè)原子層之間時(shí)，屆面選擇性完全改變，向上自旋電子通過(guò)而向下自旋電子射回到半導(dǎo)體，導(dǎo)致自旋逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。以上結(jié)果認(rèn)證了氧化鎂界面厚度具有的決定性作用。
專家表示這項(xiàng)結(jié)果有其背后的深遠(yuǎn)意義：自旋狀態(tài)屬一種“能量獨(dú)立”的狀態(tài)，在理論上可確保即使在斷開電源時(shí)也具有保存數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)能大大降低電子器件的耗電量。而利用自旋處理信息將會(huì)改變計(jì)算機(jī)傳送和儲(chǔ)存信息的方式，為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)巨大突破。
運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是半導(dǎo)體與磁性物質(zhì)迄今為止最重要的應(yīng)用之一，兩者構(gòu)成了人們最為熟知的計(jì)算機(jī)。自旋電子可跨越半導(dǎo)體和磁性兩個(gè)領(lǐng)域，而對(duì)不同自旋方向的電子及其輸運(yùn)性質(zhì)的研究，會(huì)促進(jìn)設(shè)計(jì)和開發(fā)新型電子器件，這正是自旋電子學(xué)科的主要任務(wù)。
此次意外的收獲建立在鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之上。該結(jié)構(gòu)又被稱為“磁隧道結(jié)”，其外觀酷似一個(gè)三明治，在鐵磁體與半導(dǎo)體之間有一個(gè)很薄的氧化鎂絕緣層。這一結(jié)構(gòu)中兩種自旋方向的電子都可以自半導(dǎo)體穿過(guò)氧化鎂界面，最后到達(dá)磁鐵。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單修改氧化鎂界面的厚度，便可控制自旋電子穿過(guò)的類型。其中當(dāng)氧化鎂界面薄于2個(gè)原子層時(shí)，自旋向下的電子隧穿至鐵磁體，同時(shí)自旋向上的電子射回留在半導(dǎo)體內(nèi)；當(dāng)界面厚于6個(gè)原子層時(shí)，則無(wú)論自旋向上還是向下的電子都射回；而當(dāng)其處于中間值，即厚度范圍在2至6個(gè)原子層之間時(shí)，屆面選擇性完全改變，向上自旋電子通過(guò)而向下自旋電子射回到半導(dǎo)體，導(dǎo)致自旋逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。以上結(jié)果認(rèn)證了氧化鎂界面厚度具有的決定性作用。
專家表示這項(xiàng)結(jié)果有其背后的深遠(yuǎn)意義：自旋狀態(tài)屬一種“能量獨(dú)立”的狀態(tài)，在理論上可確保即使在斷開電源時(shí)也具有保存數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)能大大降低電子器件的耗電量。而利用自旋處理信息將會(huì)改變計(jì)算機(jī)傳送和儲(chǔ)存信息的方式，為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)巨大突破。
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