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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家在今天的《現(xiàn)代物理學評論》上，發(fā)表題為：“石墨烯和其他二維材料中的自旋電子學”的座談會紀要，描述有關計算機設備開發(fā)領域的新動向，指出基于石墨烯和二維材料的自旋電子學技術，將用作下一代電子產(chǎn)品的基礎，可以使電子技術超越“摩爾定律”。
在石墨烯和相關的二維（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域。
自旋電子學（Spintronics）是納米級的電子學和磁性學的結合，并可能導致下一代高速電子學（high-speed electronics）。自旋電子器件是超越摩爾定律的納米電子學的可行替代品，與依賴于充電電流傳統(tǒng)電子學相比，自旋電子學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結構及其出現(xiàn)的現(xiàn)象所提供的新觀點，包括鄰近激活自旋軌道效應（proximity-enabled spin-orbit effects），自旋與光的耦合，電可調性和二維磁學。
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)。
自旋電子學是一種開發(fā)電子產(chǎn)品的新方法，其中存儲設備（RAM）和晶體管邏輯設備均通過“自旋”實現(xiàn)，電子的基本特性使電子像微型磁鐵一樣工作。
英國曼徹斯特大學凝聚態(tài)物理學家Ivan Vera Marun博士說：“石墨烯自旋電子學以及2D異質結構的不斷進展已導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。
“隨著在基礎和技術方面的不斷努力，我們相信，即使在室溫下，彈道自旋輸運（ballistic spin transport）也將在二維異質結構中實現(xiàn)。這種輸運將使電子波函數(shù)的量子力學性能得到實際利用，從而帶來自旋以二維材料為未來的量子計算方法服務。”
石墨烯和其他二維材料中可控的自旋傳輸對于在設備中的應用越來越有希望。特別受關注的是量身定制的異質結構，稱為范德瓦爾斯（van der Waals）異質結構，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的這一發(fā)展領域，并概述了現(xiàn)有的實驗和理論狀況。
二維范德瓦爾斯異質結構自旋電子現(xiàn)象
如上圖所示二維范德瓦爾斯異質結構中新興自旋電子現(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結構來避免對磁性接觸的需求，這些異質結構可實現(xiàn)直接光學自旋注入（左上）和直接的電荷自旋轉換（右下）。
數(shù)十億個自旋電子設備，例如傳感器和存儲器，已經(jīng)被生產(chǎn)出來。每個硬盤驅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領域取得了令人興奮的結果，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)建稱為異質結構的二維材料堆棧，可以將它們與石墨烯結合使用，以創(chuàng)建新的“設計材料”，以產(chǎn)生過去僅限于科幻小說中的應用。
該座談會文的共同作者、弗朗西斯科·幾內亞（Francisco Guinea）教授說：“自旋電子學領域、材料中自旋的性質和操縱，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研究是凝聚態(tài)物理學中最活躍的領域之一。”
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、電子學和磁性有關的這些獨特拓撲特征的最佳平臺。
總的來說，石墨烯和相關二維材料中的自旋電子學領域目，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用領域等。
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