自旋电子学可能不是日常讨论中出现的那种词,但多年来它一直在彻底改变计算机技术。它是物理学的一个分支,涉及操纵电子流的旋转,这种电子流在20世纪90年代末以磁性计算机硬盘驱动器的形式首次来到消费者身边,存储容量是其前辈的数百倍

自旋电子学(Spintronics),一个混成词,意思是“自旋输运电子学”),也被称为spinelectronics或fluxtronics,是除了基本的电子电荷之外,在固态电子器件中电子内在自旋的及其关联磁矩的研究

自旋电子学与更旧的磁电子学的不同之处在于旋转是既被磁场又被电场这两个场操纵。

自旋电子学是利用新的方法来操纵电子自旋自由度的科学,是一种新兴技术。应用于自旋电子学的材料,需要具有较高的电子极化率,以及较长的电子松弛时间。许多新材料,例如磁性半导体半金属等,近年来被广泛的研究,找出符合自旋电子元件应用所需要的性质

从MP3播放器到今天的智能手机。去年英特尔谷歌开始研究的量子处理器,三星Everspin几个月前推出了MRAM(磁性随机存取存储器)芯片。都使用这项新技术大大提高了计算性能。使得电力需求可能降低至原来的1%。这些电子设备得以改进,使计算机再次变得更强大,更酷,更节能

即便如此,所有这些进步都在一个主要限制下进行:旋转操作仅限于单个超薄磁性材料层。这些层中的几十层通常以“夹层”结构堆叠,其通过复杂的界面和互连相互作用,但它们的功能本质上基本上是二维的。

像斯图尔特帕金这样的行业领导者,创造了IBM最初的自旋电子驱动的计算机硬盘,Deskstar 16GP Titan,多年来一直在说磁性计算的最大挑战之一就是转向更灵活,更强大的3D版本。

在由格拉斯哥大学和剑桥大学发布的新论文中称:“我们与汉堡大学,埃因霍温技术大学和阿尔托大学理学院的研究人员合作,为实现3D版本这一目标迈出了重要的一步”

传统电子学基于电子具有电荷的事实。在基本计算机中,芯片和其他单元通过发送和接收微小电脉冲来传输信息。并且通过对这些重复进行计数,让它成为指令语言的基础。

传统的磁性硬盘驱动器也依赖于与电荷相关的特性,但它们的工作原理不同,扁平磁盘的非常小的区域通过其两个可能的磁性方向记录零和一。磁力驱动器具有很大的好处,即使电源关闭时数据仍然存在

自旋电子学不同的是:它利用电子的电荷和内在磁性,也称为自旋。自旋和电荷之间的差异有时被比作地球围绕太阳运行的方式,但同时也在其轴上旋转。但是电子总是带负电,它们可以“向上”或“向下”旋转。

这种效应在硬盘驱动器中很容易被利用,这些自旋电子系统作为非常敏感的传感器,可以在同一区域内读取比以前的硬盘驱动器更多的信息,从而改变存储容量。这被称为巨磁阻,后来为Albert Fert和Peter Grunberg 取得了诺贝尔物理学奖,这两位科学家同时发现了它。

手性自旋电子学

自从自旋电子学诞生以来,已经取得了许多重要的进展,最近在一个名为手性自旋电子学更令人兴奋的一些。虽然我们通常认为两个磁铁具有“北”和“南”,它们沿180º线朝向或远离并彼此旋转。在特定条件下,微小的磁铁在原子水平也呈现手性自旋相互作用。这意味着相邻磁体倾向于以90°的角度定向。

这些相互作用的存在是创建和操纵称为磁性skyrmions的伪粒子的关键因素,其具有拓扑特性,使其能够更有效地执行计算应用,具有进一步改善数据存储的巨大潜力

然而,到目前为止,仅在2D自旋电子学中观察和利用了手性自旋相互作用。在我们的新论文中,我们首次表明,这种相互作用也可以在位于由超薄非磁性金属层隔开的两个相邻磁性层的磁体之间产生。

为此,我们使用一种称为溅射的技术创建了一个总共八层的器件来沉积纳米级薄膜。我们必须仔细调整层的界面以平衡其他磁相互作用,我们使用激光研究了室温下磁场下的系统的行为。我们的汉堡大学合作者通过互补磁模拟确认了设备的行为方式。

这一发现为开发3D自旋电子效应开辟了新的路线,手性自旋相互作用发挥了关键作用,创造了更紧凑,更有效的方式来存储和移动整个3D空间的磁数据。未来的工作将集中在寻找增加这种相互作用强度的方法,并扩大影响存在的设备范围。我们希望我们的工作能够引起自旋电子界的极大兴趣,并促使行业继续致力于基于这些全新概念的磁性计算设备。

自旋电子学在计算机上应用非常快 ,从发现巨磁阻到1997年推出IBM的Deskstar 16GP Titan仅用了8年时间。3D自旋电子效应仍然需要克服多重障碍,从精确制造在非常规计算架构中利用磁交互的必要设备。我们最近的发现使我们更接近实现这个非常具有挑战性的目标。

本文来自转载谈话  由  Amalio费尔南德斯-帕切科,EPSRC早期职业院士,物理学和天文学,格拉斯哥大学  根据创作共用许可证。阅读原始文章

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