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- 發(fā)布時間2020-06-15 15:59
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英國、荷蘭、新加坡、西班牙、瑞士和美國的一組科學(xué)家在今天的《現(xiàn)代物理學(xué)評論》上，發(fā)表題為：“石墨烯和其他二維材料中的自旋電子學(xué)”的座談會紀(jì)要，描述有關(guān)計算機設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域的新動向，指出基于石墨烯和二維材料的自旋電子學(xué)技術(shù)，將用作下一代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，可以使電子技術(shù)超越“摩爾定律”。
在石墨烯和相關(guān)的二維（2-D）材料中電子自旋輸運的研究中，最近的理論和實驗進展以及現(xiàn)象已經(jīng)成為研究和開發(fā)的一個引人入勝的領(lǐng)域。
自旋電子學(xué)（Spintronics）是納米級的電子學(xué)和磁性學(xué)的結(jié)合，并可能導(dǎo)致下一代高速電子學(xué)（high-speed electronics）。自旋電子器件是超越摩爾定律的納米電子學(xué)的可行替代品，與依賴于充電電流傳統(tǒng)電子學(xué)相比，自旋電子學(xué)器件具有更高的能效和更低的耗散。原則上，我們可以讓手機和平板電腦使用基于自旋的晶體管和存儲器。
該座談會評估了著重于異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其出現(xiàn)的現(xiàn)象所提供的新觀點，包括鄰近激活自旋軌道效應(yīng)（proximity-enabled spin-orbit effects），自旋與光的耦合，電可調(diào)性和二維磁學(xué)。
我們許多人已經(jīng)在筆記本和電腦中遇到了自旋電子器件，它們已經(jīng)在硬盤驅(qū)動器的讀取頭中以磁傳感器的形式使用了自旋電子器件，這些傳感器也用于汽車工業(yè)。
自旋電子學(xué)是一種開發(fā)電子產(chǎn)品的新方法，其中存儲設(shè)備（RAM）和晶體管邏輯設(shè)備均通過“自旋”實現(xiàn)，電子的基本特性使電子像微型磁鐵一樣工作。
英國曼徹斯特大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家Ivan Vera Marun博士說：“石墨烯自旋電子學(xué)以及2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的不斷進展已導(dǎo)致使用自旋信息的有效創(chuàng)建、傳輸和檢測以前石墨烯無法達到的效果。
“隨著在基礎(chǔ)和技術(shù)方面的不斷努力，我們相信，即使在室溫下，彈道自旋輸運（ballistic spin transport）也將在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。這種輸運將使電子波函數(shù)的量子力學(xué)性能得到實際利用，從而帶來自旋以二維材料為未來的量子計算方法服務(wù)。”
石墨烯和其他二維材料中可控的自旋傳輸對于在設(shè)備中的應(yīng)用越來越有希望。特別受關(guān)注的是量身定制的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為范德瓦爾斯（van der Waals）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它由精確控制順序的二維材料堆棧組成。該座談會綜合概述了石墨烯自旋電子學(xué)的這一發(fā)展領(lǐng)域，并概述了現(xiàn)有的實驗和理論狀況。
二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)自旋電子現(xiàn)象
如上圖所示二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中新興自旋電子現(xiàn)象。鑒于石墨烯的自旋松弛長度長，它可作為理想的自旋傳輸通道。在通道的中心，兩個磁觸點用于電注入或檢測自旋電流。通過使用石墨烯和過渡金屬二鹵化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來避免對磁性接觸的需求，這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)直接光學(xué)自旋注入（左上）和直接的電荷自旋轉(zhuǎn)換（右下）。
數(shù)十億個自旋電子設(shè)備，例如傳感器和存儲器，已經(jīng)被生產(chǎn)出來。每個硬盤驅(qū)動器都有一個使用自旋流的磁性傳感器，磁性隨機存取存儲器（magnetic random access memory。簡稱MRAM）芯片正變得越來越流行。
在過去的十年中，在石墨烯自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得了令人興奮的結(jié)果，發(fā)展到了下一代研究，擴展到了新的二維（2-D）化合物。
石墨烯自2004年被成功隔離以來，為其他二維材料打開了大門。以后，研究人員可以使用這些材料創(chuàng)建稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維材料堆棧，可以將它們與石墨烯結(jié)合使用，以創(chuàng)建新的“設(shè)計材料”，以產(chǎn)生過去僅限于科幻小說中的應(yīng)用。
該座談會文的共同作者、弗朗西斯科·幾內(nèi)亞（Francisco Guinea）教授說：“自旋電子學(xué)領(lǐng)域、材料中自旋的性質(zhì)和操縱，揭示了固體行為的許多新穎方面。攜帶電子的自旋運動的基礎(chǔ)研究是凝聚態(tài)物理學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。”
自2004年提出拓撲絕緣子的概念后，全世界就對具有非常規(guī)拓撲電子和磁性特性的新量子材料的鑒定和表征進行了深入研究。自旋電子學(xué)是此探索的核心。由于它們的純度、強度和簡單性，二維材料是找到與量子物理學(xué)、電子學(xué)和磁性有關(guān)的這些獨特拓撲特征的最佳平臺。
總的來說，石墨烯和相關(guān)二維材料中的自旋電子學(xué)領(lǐng)域目，前正朝著展示實用的石墨烯自旋電子器件的方向發(fā)展，例如用于空間通信、高速無線電鏈路、車輛雷達和芯片間通信應(yīng)用領(lǐng)域等。
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