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自旋電子學

自旋電子學（英語：Spintronics），一個混成詞，意思是「自旋輸運電子學」[1][2][3]），也被稱為spinelectronics或fluxtronics，是除了基本的電子電荷之外，在固態電子器件中電子內在自旋的及其關聯磁矩的研究。

自旋電子學與更舊的磁電子學的不同之處在於旋轉是既被磁場又被電場這兩個場操縱。

自旋電子學是利用創新的方法，來操縱電子自旋自由度的科學，是一種新興技術。應用於自旋電子學的材料，需要具有較高的電子極化率，以及較長的電子鬆弛時間。許多新材料，例如磁性半導體、半金屬等，近年來被廣泛的研究，以求能有符合自旋電子元件應用所需要的性質 [4]。

歷史

自旋電子學是從1980年代在關於固態器件自旋相關的電子輸運現象的發現中出現了。這包括由Johnson和Silsbee於1985年[5]觀測到自旋極化電子從鐵磁金屬中注入到普通金屬，和獨立地由阿爾貝·費爾（Albert Fert）等人[6]，和彼得·格林貝格（Peter Grünberg）等人於1988年發現的巨磁阻效應。自旋電子學的起源可以追溯到Meservey和Tedrow開創的鐵磁/超導隧道實驗以及Julliere在1970年代對磁隧道結的初步實驗[7]。 半導體在自旋電子學中的應用始於1990年達塔（英語：Supriyo Datta）(Datta)和Das的自旋場效應電晶體的理論提議[8]，以及拉什巴（英語：Emmanuel Rashba）(Rashba)在1960年的電偶極子自旋共振（英語：Electric dipole spin resonance）的理論提議[9]。

2012年，IBM科學家創造了持續旋轉同步電子，持續時間超過1奈秒[10]。 這是迄今為止結果的大約30倍，並且持續時間比現代處理器的時鐘周期更長。 這為利用電子旋轉進行信息處理的研究開闢了一條新途徑[11]。

理論

主條目：自旋

電子的自旋是本徵角動量，它由於其軌道運動是與角動量分離的。沿任意軸的電子的自旋的投影（projection）的量值為 ，這意味著電子作為遵守自旋統計定理的一個費米子。類似於軌道角動量，自旋具有相關聯的磁矩，其大小被表示為

 .

在固體中的許多電子的自旋可以共同行動來影響材料的磁性的和電子的特性，例如在鐵磁性中賦予它永久性的磁矩。

在許多材料中，電子自旋同樣被存在於向上和向下狀態，並且沒有傳輸特性取決於自旋。 自旋電子器件需要產生或操縱自旋極化的電子群體，導致過量的自旋或自旋電子。 任何自旋相關屬性X的極化可以被寫成

 .

通過在自旋向上和向下旋轉之間產生平衡能量分離，可以實現淨自旋極化。 方法包括將材料放入大磁場（塞曼效應），交換能量存在於鐵磁體中或迫使系統失去平衡。 可以維持這種非平衡種群的時間段稱為自旋壽命，  。

在擴散導體中，自旋擴散（英語：Spin diffusion）長度 可以定義為非平衡自旋群體可以傳播的距離。 金屬中傳導電子的旋轉壽命相對較短（通常小於1奈秒）。 一個重要的研究領域致力於將這一壽命延長到技術相關的時間尺度。

 
一個顯示旋轉，旋轉和產生的自旋極化電子群的圖。 在自旋注入器內部，極化是恆定的，而在注入器外部，隨著自旋向上和向下的群體達到平衡，極化呈指數衰減到零。

自旋極化群體的衰變機制可大致分為自旋翻轉散射和自旋相移。 自旋翻轉散射是固體內部不能保持自旋的過程，因此可以將進入的自旋向上狀態切換為輸出向下旋轉狀態。 自旋相移是一種過程，其中由於不同的電子自旋速率進動，具有共同自旋態的電子群隨時間變得更少偏振。 在受限結構中，可以抑制自旋相移，導致半導體量子點在低溫下的旋轉壽命為毫秒。

超導體可以增強自旋電子學的中心效應，例如磁阻效應，自旋壽命和無耗散自旋電流[12][13]。

自旋電子邏輯器件

用於實現擴展的非易失性自旋邏輯器件正在被廣泛研究。 使用自旋和磁鐵進行信息處理的自旋轉移，並基於扭矩的邏輯設備已經被提出了[14][15]。這些設備是國際半導體技術發展藍圖(ITRS)探索路線圖的一部分。 邏輯內存應用程式已經處於開發階段[16][17]。 2017年的評論文章可以在《今日材料》(Materials Today)中找到[18]。

應用

硬碟的磁頭是自旋電子學領域中，最早商業化的產品。此外，尚有許多充滿潛力的應用，例如磁性隨機存儲器（MRAM）、自旋場發射電晶體、自旋發光二極體等。

摩托羅拉公司基於單個磁性隧道結開發了第一代256Kb磁性隨機存儲器（MRAM），以及讀/寫週期小於50奈秒的單個電晶體[19]。Everspin公司已經開發出了4 Mb版本[20]。第二代的MRAM技術正在開發中：熱輔助切換（英語：Thermal-assisted switching）（TAS）[21] 和自旋轉移矩(Spin-transfer torque, STT)[22]。

另一種設計是賽道記憶體（Racetrack memory），在鐵磁線的疇壁之間的磁化方向編碼信息。

磁傳感器可以使用GMR效應。

基於半導體的自旋電子器件

摻雜的半導體材料顯示稀釋的鐵磁性。 近年來，稀磁氧化物（DMOs）包括ZnO基DMOs和TiO2基DMOs已成為眾多實驗和計算研究的主題[23][24]。 非氧化物鐵磁半導體源（如錳摻雜的砷化鎵GaMnAs）[25]，增加了與隧道勢壘的界面電阻[26]，或使用熱電子注入[27]。

應用

採用自旋極化的電子注入的應用已經顯示門限電流降低和可控的圓偏振光相干光輸出[28]。例子包括半導體雷射器。未來的應用可以包括基於自旋電晶體具有超過MOSFET器件的優勢，例如陡峭的亞閾值斜率。

參閱

參考資料

  1. ^ Wolf, S. A.; Chtchelkanova, A. Y.; Treger, D. M. Spintronics—A retrospective and perspective. IBM Journal of Research and Development. 2006, 50: 101. doi:10.1147/rd.501.0101. 
  2. ^ Physics Profile: "Stu Wolf: True D! Hollywood Story" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  3. ^ Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. Sciencemag.org (16 November 2001). Retrieved on 21 October 2013.
  4. ^ Assadi, M.H.N; et al. Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs (PDF). Journal of Applied Physics. 2013, 113 (23): 233913 [2015-11-14]. Bibcode:2013JAP...113w3913A. arXiv:1304.1854  . doi:10.1063/1.4811539. （原始內容 (PDF)存檔於2019-06-04）. 
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外部連結

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