硅晶体管时代或将终结，新材料将自旋电子器件变为现实 点击：185  作者：DeepTech深科技    来源：今日头条  发布时间:2017-06-11 10:42:50

       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。

图丨电子自旋

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（intrinsic property）。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Sarah Li表示，“然而这种新材料却能够两者兼顾。”

图丨犹他大学的研究者Sarah Li和Z. Valy Vardeny

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. Valy Vardeny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、电脑必须使用半导体硅晶管作为材料。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。

图丨激光器件与平面镜

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-access memory)。

“重要的话说三次，这是一种奇迹材料”，Vardeny重申。

责任编辑：向太阳