自從20世紀60年代以來，電子技術通過微處理器技術的不斷改進而不斷進步。然而，由于物理定律的限制，這一改進過程預計在不久的將來會停滯不前。其中一些瓶頸已經(jīng)開始發(fā)揮作用。例如處理器的時鐘速度在過去20年里沒有超過幾吉赫茲，或幾次每秒的運算，這是由于硅的電阻造成的限制，這導致全球日益迫切地尋找半導體電子產(chǎn)品的更優(yōu)替代品。自旋電子學是最主要的候選者之一，它基于通過電子自旋攜帶信息的思想。利用自旋電流傳遞信息是一個令人興奮的前景，因為它比普通電流的能量消耗要低，但是還有許多實際困難需要克服。

博科園-科學科普：最嚴重的問題之一是自旋注入問題，即將自旋電流從一種材料轉(zhuǎn)移到另一種材料(例如，從磁性金屬轉(zhuǎn)移到半導體)，這往往會打亂自旋，破壞它們所攜帶的信息。目前來自南洋理工大學、新加坡國立大學、新加坡科學技術研究局(a?*STAR)以及美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一組科學家在自旋電子學速度和效率方面取得了突破性進展。他們已經(jīng)證明，一種超短的自旋電流脈沖，持續(xù)時間不到1皮秒(萬億分之一秒)，可以從金屬中以驚人的效率注入到半導體中，打破之前自旋注入記錄10000多次。

這些發(fā)現(xiàn)在最近發(fā)表在主要科學期刊《自然物理》和《先進材料》上。在這些實驗中，將激光脈沖照射在磁性金屬鈷上產(chǎn)生超短的自旋電流脈沖。這就產(chǎn)生了一群具有自旋極化的激發(fā)態(tài)電子，這意味著自旋大部分指向相同的方向，自旋攜帶的電子向外運動，擴散到其他鄰近的材料中。南洋理工大學助理教授、該研究小組成員馬可?巴蒂亞托(Marco?Battiato)表示：我們希望證明，這些超短的自旋電流脈沖可以用于高效的自旋注入，自旋電流脈沖的向外擴散發(fā)生在幾百飛秒以上(一飛秒是千分之一皮秒)。這比傳統(tǒng)的電子設備快1000倍，這使得它對未來的高速自旋電子設備非常有用。

自旋擴散的極速雖然令人興奮，但也使利用當今電子技術進行實驗研究這一現(xiàn)象變得困難。在南大負責該項目的實驗部分的副教授Elbert?Chia說：我們必須設計出一種謹慎的策略來測量流入器件半導體部分的自旋電流，為了實現(xiàn)這一目標，使用了一種含有重元素的半導體，它能將自旋電流轉(zhuǎn)換成超短波電流。然后整個樣本變成一個電磁天線，以太赫茲頻率(介于微波和紅外光之間)發(fā)射輻射?？梢詼y量輻射，然后反向計算出原始的自旋電流通過仔細選擇自旋電子器件中的材料，研究小組能夠得出結(jié)論，向半導體中注入了自旋極化電流。令人驚訝的是，這個自旋電流的強度竟然比之前的記錄大一萬倍以上。

在真實的設備中，不需要如此強的自旋電流，因此人們可以避開相當弱的激勵，在后續(xù)的實驗中，研究人員已經(jīng)能夠確定自旋電流形成和衰減的時間。理論物理學家和國家研究基金會研究員(NRFF)，南洋大學助理教授Justin?Song說：最引人注目的可能是，所有這些都是用一個簡單的金屬-半導體界面來演示，沒有其他自旋電子學實驗中看到的復雜和昂貴的結(jié)構(gòu)工程，樣品由新加坡國立大學楊賢秀副教授課題組制作。南洋大學助理教授Battiato說：這些結(jié)果代表了基于自旋電流超擴散的超快自旋電子學發(fā)展的一個基本步驟，在未來該團隊設想這種高效的自旋注入過程將成為高速自旋電子計算機背后的關鍵技術之一。

博科園-科學科普｜研究/來自：南洋理工大學物理與數(shù)學科學學院

參考期刊文獻:?Nature?Physics》,《Advanced?Materials》

DOI:?10.1038/s41567-018-0406-3

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