荷兰格罗宁根大学造出二维自旋晶体管,有望取代传统电子器件

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近日,荷兰格罗宁根大学的物理学家们构发明者者一款二维自旋晶体管。在该晶体管中,通过石墨烯的电流产生出自旋流。过渡金属硫族化合物(TMD)单层被放置在石墨烯上方,引起石墨烯中的电荷-自旋转换。在2019年9月11日出版的《纳米快报(Nano Letters)》期刊上,科学家们描述了你是什么 实验性的研究。

Talieh Ghiasi 与 Bart van Wees 在净室中。(图片来源:格罗宁根大学)

时下,电子器件基本上都不 基于电子的电荷形态学 。金属导体不可能 半导体中的电荷定向运动会形成电流,电流可用于传输与避免数据信息。原来,当电流流经导线与半导体时,不可避免地会散发热量,产生能耗。原来,除了电荷你是什么 形态学 ,电子还有另一种生活生活和中俱来的量子物理形态学 :“自旋”。它都都要被理解为一种生活生活角动量,要么“向上”,要么“向下”。自旋着的电子可创发明者者用于转移或存储信息的磁矩。

研究电子自旋与自旋流等相关知识的学科,被称为“自旋电子学”。它是创造低功耗电子器件的一种生活生活颇具吸引力的替代方案。自旋电子器件具有体积小、时延快、功耗小等优势。在后摩尔时代,自旋电子器件有望成为基于电荷与电流的传统半导体器件的替代品。

基于磁振子的自旋晶体管(图片来源:L. Cornelissen)

石墨烯,碳的二维形式,是一种生活生活卓越的自旋输送机器。

(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

然而,为了创造不可能 操控自旋,电子与原子核之间的相互作用(自旋轨道耦合)是必需的。你是什么 相互作用在碳中非常微弱,难以在石墨烯中生成和操控自旋流。然而,事实证明,当一种生活生活具有重原子(类事于TMD)的单层材料放置在石墨烯上方,创发明者者范德瓦尔斯异质结时,石墨烯中的自旋轨道耦合不可能 得到改善。

在格罗宁根大学教授 Bart van Wees 领导的纳米器件物理学研究小组中,博士生 Talieh Ghiasi 和博士后研究员 Alexey Kaverzin 创发明者者一种生活生活异质结。亲们采用金电极,可通过石墨烯发送纯电流,并创发明者者自旋流,这也被称为“Rashba-Edelstein效应”。你是什么 效应的产生,是不可能 重原子的TMD单层(你是什么 案例中是二硫化钨)相互作用。你是什么 著名的效应,首次在石墨烯(与很多二维材料类事于)中观测到。

下图为该纳米器件的示意图,用于在石墨烯与WS2组成的范德瓦尔斯异质结中观察电荷-自旋转换。紫色与红色的箭头分别表示电流和中成的自旋堆积。

(图片来源:Ghiasi et al)

Ghiasi 表示:“亲们都都要用自旋挑选 性的铁磁性钴电极,来测量电流在石墨烯中引起的自旋流。”你是什么 电荷-自旋转换,让用石墨烯构造全电气的自旋电路成为不可能 。刚刚,自旋都要通过铁磁体注入。Ghiasi 补充道:“亲们也展示了,自旋堆积的生成时延可通过施加电场来调整。”这意味着着,亲们构建出一种生活生活晶体管,其中的自旋流都都要被打开和关闭。

Rashba-Edelstein 效应并都不 产生自旋流的唯一效应。研究表明,自旋霍尔效应也同样都都要,之后 哪此自旋的朝向不同。Ghiasi 解释道:“当亲们施加另另一个磁场,亲们使自旋在磁场中旋转。你是什么 种生活生活效应与磁场的相互作用产生的自旋信号具有不同对称性,这帮助亲们在另另一个系统中区分主次效应作出的贡献。”这也是首次在同另另一个系统中观察到一种生活生活电荷-自旋转换机制。“这将帮助亲们获取更多关于哪此异质结中的自旋轨道耦合的基本认知。”

除了这项研究都都要提供的基本认知,构发明者者一种生活生活全电气的二维自旋晶体管(这麼铁磁体)对于自旋电子学应用来说也具有重要意义,这也是欧盟石墨烯旗舰项目的目标之一。“你是什么 点非常正确,不可能 亲们都都要观察到室温下的你是什么 效应。随着温度升高,自旋信号减弱,之后 在环境条件下仍然显著发生。”