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- 发布时间2020-06-15 15:59
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英国、荷兰、新加坡、西班牙、瑞士和美国的一组科学家在今天的《现代物理学评论》上，发表题为：“石墨烯和其他二维材料中的自旋电子学”的座谈会纪要，描述有关计算机设备开发领域的新动向，指出基于石墨烯和二维材料的自旋电子学技术，将用作下一代电子产品的基础，可以使电子技术超越“摩尔定律”。
在石墨烯和相关的二维（2-D）材料中电子自旋输运的研究中，最近的理论和实验进展以及现象已经成为研究和开发的一个引人入胜的领域。
自旋电子学（Spintronics）是纳米级的电子学和磁性学的结合，并可能导致下一代高速电子学（high-speed electronics）。自旋电子器件是超越摩尔定律的纳米电子学的可行替代品，与依赖于充电电流传统电子学相比，自旋电子学器件具有更高的能效和更低的耗散。原则上，我们可以让手机和平板电脑使用基于自旋的晶体管和存储器。
该座谈会评估了着重于异质结构及其出现的现象所提供的新观点，包括邻近激活自旋轨道效应（proximity-enabled spin-orbit effects），自旋与光的耦合，电可调性和二维磁学。
我们许多人已经在笔记本和电脑中遇到了自旋电子器件，它们已经在硬盘驱动器的读取头中以磁传感器的形式使用了自旋电子器件，这些传感器也用于汽车工业。
自旋电子学是一种开发电子产品的新方法，其中存储设备（RAM）和晶体管逻辑设备均通过“自旋”实现，电子的基本特性使电子像微型磁铁一样工作。
英国曼彻斯特大学凝聚态物理学家Ivan Vera Marun博士说：“石墨烯自旋电子学以及2D异质结构的不断进展已导致使用自旋信息的有效创建、传输和检测以前石墨烯无法达到的效果。
“随着在基础和技术方面的不断努力，我们相信，即使在室温下，弹道自旋输运（ballistic spin transport）也将在二维异质结构中实现。这种输运将使电子波函数的量子力学性能得到实际利用，从而带来自旋以二维材料为未来的量子计算方法服务。”
石墨烯和其他二维材料中可控的自旋传输对于在设备中的应用越来越有希望。特别受关注的是量身定制的异质结构，称为范德瓦尔斯（van der Waals）异质结构，它由精确控制顺序的二维材料堆栈组成。该座谈会综合概述了石墨烯自旋电子学的这一发展领域，并概述了现有的实验和理论状况。
二维范德瓦尔斯异质结构自旋电子现象
如上图所示二维范德瓦尔斯异质结构中新兴自旋电子现象。鉴于石墨烯的自旋松弛长度长，它可作为理想的自旋传输通道。在通道的中心，两个磁触点用于电注入或检测自旋电流。通过使用石墨烯和过渡金属二卤化物的异质结构来避免对磁性接触的需求，这些异质结构可实现直接光学自旋注入（左上）和直接的电荷自旋转换（右下）。
数十亿个自旋电子设备，例如传感器和存储器，已经被生产出来。每个硬盘驱动器都有一个使用自旋流的磁性传感器，磁性随机存取存储器（magnetic random access memory。简称MRAM）芯片正变得越来越流行。
在过去的十年中，在石墨烯自旋电子学领域取得了令人兴奋的结果，发展到了下一代研究，扩展到了新的二维（2-D）化合物。
石墨烯自2004年被成功隔离以来，为其他二维材料打开了大门。以后，研究人员可以使用这些材料创建称为异质结构的二维材料堆栈，可以将它们与石墨烯结合使用，以创建新的“设计材料”，以产生过去仅限于科幻小说中的应用。
该座谈会文的共同作者、弗朗西斯科·几内亚（Francisco Guinea）教授说：“自旋电子学领域、材料中自旋的性质和操纵，揭示了固体行为的许多新颖方面。携带电子的自旋运动的基础研究是凝聚态物理学中最活跃的领域之一。”
自2004年提出拓扑绝缘子的概念后，全世界就对具有非常规拓扑电子和磁性特性的新量子材料的鉴定和表征进行了深入研究。自旋电子学是此探索的核心。由于它们的纯度、强度和简单性，二维材料是找到与量子物理学、电子学和磁性有关的这些独特拓扑特征的最佳平台。
总的来说，石墨烯和相关二维材料中的自旋电子学领域目，前正朝着展示实用的石墨烯自旋电子器件的方向发展，例如用于空间通信、高速无线电链路、车辆雷达和芯片间通信应用领域等。
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