石墨烯有新进展 要颠覆数码电路工作方式？

带有过滤电子自旋功能的石墨烯节点概念图：蓝色的镍薄层和红色的铁薄层内含有两种自旋状态（上旋和下旋）的电子。两层金属薄膜间放置了几层石墨烯（石墨烯即单层碳原子组成的准二维平面），用来形成导电路径，这条路径只允许一种方向自旋的电子通过。电流通过这个金属结点后，就成为了自旋极化电流。

在自旋电子学（也称磁电子学）的历史上，石墨烯有着不同寻常的历史。这种电子学利用电子本身的自旋状态进行信息编码，而非传统地利用电子本身的电荷去编码。最初，石墨烯并没有出现在这项领域的视野内。因为当电子透过平面展开的石墨烯之后，自旋状态没有任何改变，而且电子的运动方向也仍然随机，并没有形成一定的路径。但是根据最近的一项实验结果表明石墨烯对自旋电子学可能有很大的作用，这也改变了科研计划主管人员的看法。

来自美国海军实验室（NRL）的一个团队，最近做了一次实验，他们把一层石墨烯放到了几层镍和铁的中间。这种层叠结构，首次完成了常温下可过滤电子自旋的薄膜类结点。这项结果可能对于下一代磁阻式随机访问储存器（MRAM）的研发有着巨大帮助。MRAM 的原理就是利用自旋极化后的脉冲，将存储位的磁信息从 0 翻转到 1，亦可反向翻转。

自旋过滤这种现象，使获取高度自旋极化的载流子成为可能。实际上，这种设备的原理就和过滤器一样，只允许某一种自旋方向的电子通过，阻碍另一种自旋方向的电子。这样可以使电子的“上”和“下”旋可以被区分开来，从而形成了数字逻辑中的“0”和“1”。

在这种层叠结构中，自旋过滤现像是由石墨烯和晶镍薄膜的量子机械特性相互作用而产生的。在镍层和石墨烯层对齐后，这种结构只允许一种特定自旋方向的电子从材料中流向另一端。

“这种自旋过滤以前在理论上就有人预测过，但之前只在低温高阻结构下被证实过”，NRL 材料科学技术部门的首席研究员 Enrique Cobas 博士在一次发布会上提到。“新的结果证实，这种效应（自旋过滤）在常温下多种设备矩阵的低阻结构中也可以存在。”

在期刊 ACS Nano 的文章中，NRL 的研究员们正在勘查石墨烯层叠后的导电性以及与其他材料的交互方式。为此，NRL 的团队创造出了一种新的方法，可以直接在一张平整的晶镍合金薄膜上制造大片多层石墨烯薄膜。这种方法能够保持镍合金薄膜的磁特性，以便他们把这些薄膜排布成开关矩阵结点。

“我们依然有改进的空间，因为理论上透过精密调整石墨烯的层数，这种效应可以增强一个数量级，”NRL 材料科学技术部门的科研员 Olaf van’t Erve 博士在一次发布会上讲到。“然而，当前的模型并没有包含在铁磁接触中发生的自旋转换。当我们把那些效应也考虑进去的时候，我们就可以真正逼近 100% 自旋极化的理想状况了。这可以使我们修改并优化当前的设备构造和材料，进而让效应最大化。”