打破摩爾定律物理極限,石墨烯自旋電子學引領次世代電子元件發展

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 08 日 14:45 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


英國曼徹斯特(Manchester)、荷蘭、新加坡、西班牙、瑞士和美國研究人員組成的團隊,發表了有關自旋電子學(Spintronics)電腦裝置發展領域的新評論,可將石墨烯(Graphene)當作次世代電子元件的基本組成要素。 

對於石墨烯和相關二維(2D)材料電子自旋傳輸(Electronic Spin Transport)的最新理論、實驗進展與研究現象,已成為目前最引人入勝的熱門研發領域。自旋電子學是奈米級電子學與磁學的結合,可使電子以突破摩爾定律(Moore’s law)物理極限的速度發展。所謂摩爾定律是指,電腦處理效能約每 2 年倍增,同時價格減半。與依賴電荷電流的傳統電子元件相比,自旋電子元件可以提供更高能源效率和更低功耗。原則上,我們可讓手機和平板電腦使用基於自旋的電晶體和記憶體,大幅提高速度和儲存容量。

2D 異質結構與石墨烯結合,打造能帶動科幻級應用的全新「設計材料」

自 2004 年成功分離以來,石墨烯為其他 2D 材料開啟了大門。隨後,研究人員能使用這些材料打造出稱為異質結構(Heterostructure)的 2D 材料堆疊。這些堆疊可與石墨烯相結合,創造全新的「設計材料」,進而提供原本只能在科幻小說看到的應用。

正如《美國物理學會期刊現代物理學評論》(APS Journal Review of Modern Physics)發表的,著重於異質結構及其層現現象(Emergent Phenomena)所提供的新觀點,包括近接式自旋──軌道效應(Proximity-Enabled Spin-Orbit Effect)、自旋與光的耦合、電調諧性(Electrical Tunability)和二維磁性(2D magnetism)等。一般人早在筆電和 PC 遇到自旋電子元件,這些電腦已在硬碟機讀取磁頭以磁性感測器(Magnetic Sensor)的形式使用自旋電子元件。這些感測器也應用於汽車產業。

「石墨烯自旋電子學以及更廣泛 2D 異質結構的不斷進步,讓自旋資訊的有效建立、傳輸與偵測能夠透過許多效應(以往僅在石墨烯無法達成)做到。」曼徹斯特大學凝態物理(Condensed Matter Physics)講師 Ivan Vera Marun 博士指出:「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,彈道自旋傳輸(Ballistic Spin Transport)也將在 2D 異質結構實現。這種傳輸將使電子波函數(Electron Wave Function)的量子力學特性得以實際應用,進而將 2D 材料中的自旋引進至未來量子運算技術的服務。」

可控自旋傳輸與「凡德瓦」異質結構加速自旋電子的應用發展與前景

石墨烯和其他二維材料中的可控自旋傳輸,使元件應用前景愈來愈看好。特別受關注的是量身定製的「凡德瓦」(van der Waals,vdW)異質結構,由有精確控制順序的二維材料堆疊所組成。數十億個自旋電子元件,例如感測器和記憶體早已付諸生產。每台硬碟機都有一個使用自旋流的磁性感測器,同時磁性隨機存取記憶體(MRAM)晶片也愈來愈流行。

「自旋電子學領域揭示了固態物質行為的許多新面向。帶有電子自旋運動的基礎研究已經成為凝態物理學中最活躍的領域之一。」論文共同作者 Francisco Guinea 教授表示:「自 2004 年拓撲絕緣體(Topological Insulator)概念提出後,針對具非凡拓撲電磁特性的新型量子材料辨識與特徵化,一直都是全球研究的熱點。自旋電子學即為此項研究的核心。由於純度、強度和簡單性,2D 材料是找到與量子物理學、電子學和磁學相關等獨特拓撲特徵的最佳平台。」

總體而言,石墨烯和 2D 材料相關的自旋電子學領域,目前正朝實機展示各種實用石墨烯自旋電子元件(如用於空間通訊、高速無線電鏈路、車用雷達和晶片間通訊應用等領域的耦合奈米振盪器)方向發展。先進材料可說是曼徹斯特大學的研究指標之一,涉及正在解決地球重大問題的開拓性發現、跨學科合作和跨域合作範例。

(首圖來源:曼徹斯特大學