朝着自旋晶体管的目标迈进一大步

日前，荷兰格罗宁根大学的物理学家仅仅使用简单的直流电流，就改变了通过磁体中的自旋波。这标志着朝着构造自旋电子器件的自旋晶体管的目标迈出了一大步。这些自旋电子器件比传统的电子器件更加节能。

下面，回顾一下笔者介绍过的自旋电子器件的研究案例。

1）美国德克萨斯大学达拉斯分校科学家设计出的全碳自旋逻辑器件，完全由碳构成，采用了自旋电子学原理。该器件的尺寸比硅晶体管更小，性能却更佳，未来将有望取代硅晶体管。

2）荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）教授 Vandersypen领导的科学家团队在硅量子芯片中将电子自旋的量子信息成功传送至光子，对于跨越芯片连接量子位和扩大量子位的数量来说，这一点非常重要。

3）荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience Delft）与荷兰科学研究组织AMOLF 研究所合作，开发出一种在室温下将自旋信息转化为可预见的光信号的方法。这一发现让自旋电子学与纳米光子学结合得更紧密，有望为大数据中心的数据处理开辟一条更加节能的途径。

5）德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）的团队开发出一种生成太赫兹波的新方法：利用磁性金属纳米结构中的量子磁电流，也称为“自旋电流”。

今天，笔者要再介绍一项有关自旋电子学的前沿科技成果。近日，荷兰格罗宁根大学的物理学家仅仅使用简单的直流电流，就改变了通过磁体中的自旋波。这标志着朝着构造自旋电子器件的自旋晶体管的目标迈出了一大步。这些自旋电子器件比传统的电子器件更加节能。

为了实现这个目标，科学家需要进行很多步研究，并需要获取很多基础知识。格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所（Zernike Institute of Advanced Materials）物理学教授Bart van Wees的纳米器件物理小组在这个领域处于前沿地位。在最新的论文中，他们展示了一种基于磁振子的自旋晶体管。

在铂和YIG的界面上，无法进入磁体的电子弹了回来。“当这个现象发生时，电子的自旋从向上翻转至向下个，或者相反。然而，这引起了YIG内部的平行自旋翻转，从而产生了磁振子。”磁振子穿越材料，并且被第二个铂带检测到。

“我们不久前就描述过这种通过磁场的自旋传输。现在，我们已经进入下一步：我们希望影响传输。”科学家通过在注入器与检测器之间，使用第三个铂带，实现这个目标。施加正电流或者负电流，可以将额外的磁振子注入到导电通道中，或者从中耗尽磁振子。“这使得我们可以构建出类似场效应晶体管的器件。在这种晶体管中，栅极的电场能减少或者增加通道中自由电子的数量，从而关闭或者增加电流。”

Cornelissen及其同事展示了，添加磁振子将增加自旋电流，同时耗尽它们将显著降低自旋电流。Cornelissen表示：“尽管目前我们还未能完全地关闭磁振子电流，但是这个器件具备了晶体管的功能。”理论模型显示，减少器件的厚度将增加磁振子的消耗，完全地阻止磁振子电流。

但是，Cornelissen 的导师 Bart van Wees表示还有另外一个有趣的观点：“在一个较薄的器件中，增加通道中的磁振子数量到一定程度时，它们有可能形成一个玻色-爱因斯坦冷凝物。”这种现象造成了超导性。相对于只能在非常低的温度下产生的普通超导性，这种超导性可以在室温下产生。

这项研究制造出了YIG自旋晶体管，而且从长远来看，这种材料甚至可以自造出自旋超导体。这个系统的美丽之处在于：自旋注入和自旋电流控制都可以通过简单的直流电流实现，从而使得自旋器件可以兼容普通的电子器件。Van Wees 总结道：“我们的下一步就是看看，我们是否能够实现这些愿望。”