石墨烯又有一新進科技進展,搞不好能顛覆數位電路工作方式

作者 | 發布日期 2017 年 01 月 04 日 7:30 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

帶有過濾電子自旋功能的石墨烯節點概念圖:藍色的鎳薄層和紅色的鐵薄層內含有兩種自旋狀態(上旋和下旋)的電子。兩層金屬薄膜間放置了幾層石墨烯(石墨烯即單層碳原子組成的準二維平面),用來形成導電路徑,這條路徑只允許一種方向自旋的電子通過。電流通過這個金屬結點後,就成為了自旋極化電流。



在自旋電子學(也稱磁電子學)的歷史上,石墨烯有著不同尋常的歷史。這種電子學利用電子本身的自旋狀態進行訊息編碼,而非傳統地利用電子本身的電荷去編碼。最初,石墨烯並沒有出現在這項領域的視野內。因為當電子透過平面展開的石墨烯之後,自旋狀態沒有任何改變,而且電子的運動方向也仍然隨機,並沒有形成一定的路徑。但是根據最近的一項實驗結果表明石墨烯對自旋電子學可能有很大的作用,這也改變了科研計畫主管人員的看法。

來自美國海軍實驗室(NRL)的一個團隊,最近做了一次實驗,他們把一層石墨烯放到了幾層鎳和鐵的中間。這種層疊結構,首次完成了常溫下可過濾電子自旋的薄膜類結點。這項結果可能對於下一代磁阻式隨機訪問儲存器(MRAM)的研發有著巨大幫助。MRAM 的原理就是利用自旋極化後的脈衝,將存儲位的磁訊息從 0 翻轉到 1,亦可反向翻轉。

自旋過濾這種現象,使獲取高度自旋極化的載流子成為可能。實際上,這種設備的原理就和過濾器一樣,只允許某一種自旋方向的電子通過,阻礙另一種自旋方向的電子。這樣可以使電子的「上」和「下」旋可以被區分開來,從而形成了數字邏輯中的「0」和「1」。

在這種層疊結構中,自旋過濾現像是由石墨烯和晶鎳薄膜的量子機械特性相互作用而產生的。在鎳層和石墨烯層對齊後,這種結構只允許一種特定自旋方向的電子從材料中流向另一端。

「這種自旋過濾以前在理論上就有人預測過,但之前只在低溫高阻結構下被證實過」,NRL 材料科學技術部門的首席研究員 Enrique Cobas 博士在一次發表會上提到。「新的結果證實,這種效應(自旋過濾)在常溫下多種設備矩陣的低阻結構中也可以存在。」

在期刊 ACS Nano 的文章中,NRL 的研究員們正在勘查石墨烯層疊後的導電性以及與其他材料的交互方式。為此,NRL 的團隊創造出了一種新的方法,可以直接在一張平整的晶鎳合金薄膜上製造大片多層石墨烯薄膜。這種方法能夠保持鎳合金薄膜的磁特性,以便他們把這些薄膜排布成開關矩陣結點。

「我們依然有改進的空間,因為理論上透過精密調整石墨烯的層數,這種效應可以增強一個數量級,」NRL 材料科學技術部門的科研員 Olaf van’t Erve 博士在一次發表會上講到。「然而,當前的模型並沒有包含在鐵磁接觸中發生的自旋轉換。當我們把那些效應也考慮進去的時候,我們就可以真正逼近 100% 自旋極化的理想狀況了。這可以使我們修改並優化當前的設備構造和材料,進而讓效應最大化。」

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:NRL) 

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