跳到主要内容

主题

先进的材料

先进的材料

电场控制自旋电子设备

抽象科技二进制背景
磁记忆。 (提供:iStock_evryka23)

一种用于检测非磁性系统中电子自旋的新低功耗技术可以帮助开发使用铁电而不是铁磁性的自旋电子器件。这样的设备最终可能形成新一代高效,低能耗的计算机处理器的骨干,从而有助于保持高速信息处理的进展。

半个多世纪以来,计算能力呈指数级增长。但是最近,这种“摩尔定律”的增长速度有所放缓,因为这种增长以英特尔共同创始人戈登·摩尔的名字命名。戈尔·摩尔在1965年曾预测,集成电路每平方英寸的晶体管数量每年至少会翻一番,至少十年。使常规晶体管变得比现有晶体管更小变得越来越困难。因此,研究人员正在寻求使计算能力继续增长的方法,即使传统的基于大小的缩放遇到基本限制也是如此。

在研究的众多解决方案中,有一些寻求降低构成现代硅计算机芯片基础的场效应晶体管(FET)的功耗。一种做到这一点的方法是用不需要连续电源来维持其导通或关断状态的替代版本替换常规晶体管。

自旋电子电路更小,更高效

使用电子的量子自旋(或本征角动量)而不是利用电荷来存储和处理信息的自旋电子学技术可能提供一种实现此目标的方法。由于电子自旋可指向“上”或“下”,因此该二进制属性可用于自旋电子电路中的逻辑运算,其方式与电子电路中使用电荷的方式几乎相同。关键优势在于,当电子的自旋改变方向时,其新状态将永久存储(即“非易失性”)。因此,自旋电子电路不需要任何额外的输入功率即可保持其状态稳定。

然而,自旋电子电路确实对效率倡导者具有主要缺点。在自旋电子学中,信息是通过自旋电流来承载或操纵的,自旋电流由具有相反自旋的电子以相反的方向移动组成。这些电流通常是使用铁磁材料产生的。这是一个问题,因为除非施加非常强的磁场或电流,否则无法切换此类材料的磁化强度。因此,在任何实用的可切换设备中,与非易失性存储相关联的能源优势将迅速消失。

控制旋转的新方法

研究人员 Spintec实验室 (CNRS / CEA /格勒诺布尔阿尔卑斯大学)和 CNRS / Thales实验室 led by 让·菲利普·阿塔内(Jean-PhilippeAttané)曼努埃尔·比伯斯(Manuel Bibes) 现在已经开发出一种新的低功耗方法来控制自旋电流。他们的方法使用了导电电子的超薄层(在技术上称为二维(2D)电子气),该层在钛酸锶(纯态的电绝缘体)和铝的覆盖层之间的界面处产生。

研究人员首先将铁磁性镍铁合金的自旋电流注入钛酸锶(SrTiO3)。一旦电子被限制在二维电子气中,由于一种称为自旋轨道相互作用的现象,它们的自旋耦合到它们的动量。 “这种效应将自旋电流转换为常规的充电电流,这使我们能够检测到注入的自旋,”Attané和Bibes解释道。

钛酸锶3 表现得像铁电材料

接下来,团队在绝缘SrTiO上施加电压3 在电子气体下方调整自旋轨道耦合,从而调整充电电流的方向。此时,他们发现绝缘的SrTiO3 表现得像铁电材料一样-也就是说,它具有一个永久的电偶极矩,就像铁磁材料具有一个永久的磁偶极矩一样。这是一个很大的好处,因为可以使用电场来定向电偶极矩,而电场比切换铁磁材料的磁化所需的磁​​场容易控制。

Attané和Bibes及其同事还证实了SrTiO的方向3整体的电极化取决于所施加电压的极性。即使在电场关闭时,这种电极化仍然存在,这意味着它们可以永久控制自旋轨道耦合,从而控制自旋电流产生的充电电流的方向。

该研究在 性质.

相关事件

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者