自旋電子學(xué)，取得重大進(jìn)展！東京大學(xué)研究人員創(chuàng)造了一種電子元件，展示了對未來幾代計(jì)算邏輯和存儲設(shè)備非常重要的功能和能力。與以前嘗試創(chuàng)建具有相同行為的組件相比，電能效率提高了一到兩個數(shù)量級。

這將在自旋電子學(xué)的新興領(lǐng)域得到應(yīng)用。自旋電子學(xué)探索高性能、低功耗的邏輯和內(nèi)存組件的可能性。它是基于將信息編碼成電子自旋的思想。

這是一個與角動量有關(guān)的性質(zhì)，而不是通過使用電子包來表示位。開啟自旋電子學(xué)潛能的關(guān)鍵之一在于能夠快速有效地磁化材料。東京大學(xué)田中正明教授及其同事在這方面取得了重要突破。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造了一個組件，一個鐵磁性材料薄膜，其磁化可以完全逆轉(zhuǎn)的應(yīng)用非常小的電流密度。這比以前的技術(shù)所要求的電流密度要小一到兩個數(shù)量級，所以這種裝置的效率要高得多，研究人員正在努力解決磁性存儲設(shè)備磁化逆轉(zhuǎn)所需的大功耗問題。

鐵磁性半導(dǎo)體材料鎵錳砷化鎵(GaMnAs)是這項(xiàng)任務(wù)的理想選擇，因?yàn)樗且环N高質(zhì)量單晶。較不有序的薄膜有翻轉(zhuǎn)電子自旋的不良傾向。這類似于電子材料中的電阻，科學(xué)家試圖降低這種低效率。研究小組在實(shí)驗(yàn)中使用的GaMnAs膠片在另一方面也很特別。由于一種稱為分子束外延的制造工藝，它特別薄。用這種方法可以比其他嘗試使用多層薄膜而不是單層薄膜的類似實(shí)驗(yàn)更簡單地構(gòu)造器件。

沒有預(yù)料到這種材料的磁化強(qiáng)度會以如此低的電流密度逆轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象時，研究人員非常驚訝。研究將促進(jìn)材料開發(fā)的研究，以更有效地逆轉(zhuǎn)磁化，這反過來又將幫助研究人員實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)有希望的發(fā)展，其研究發(fā)表在《自然通訊》上。自旋軌道轉(zhuǎn)矩(SOT)是由大自旋軌道耦合的平面內(nèi)電流引起，它使一種通過電流注入來控制鐵磁體磁化的創(chuàng)新方法成為可能。在傳統(tǒng)SOT雙層系統(tǒng)中，磁化開關(guān)效率與界面質(zhì)量和自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度密切相關(guān)。

在垂直磁化的鐵磁半導(dǎo)體GaMnAs的單層中施加電流實(shí)現(xiàn)高效的全SOT切換，電流密度非常小，約為3.4cm×105cm，比典型的金屬雙層系統(tǒng)所需的電流密度小兩個數(shù)量級。這種低要求電流密度是由于GaMnAs固有的體反轉(zhuǎn)不對稱性，以及其高質(zhì)量的單結(jié)晶度和大的自旋極化。研究成果將有助于磁性電子控制的發(fā)展及其在半導(dǎo)體器件中的實(shí)際應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：東京大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-10553-x

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