科学家利用技术突破实现实用的半导体自旋电子技术

据外媒报道，未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来，能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前， 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件，在这种组件中，电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。

众所周知，电子具有负电荷，而且它们还有另一个特性，即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说，我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转，就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处，比如比传统的电子产品速度更快，能耗更低。

近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的，这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而，使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势，就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。

"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上，反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说："它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说："光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。

由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作，自旋电子学发展中的一个严重问题是，当温度升高时，电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此，在室温和较高的温度下，我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态，并保持这种状态，换句话说，它们是自旋极化的，这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下，电子自旋极化最高只有60%左右，无法实现大规模的实际应用。

目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下，自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述，它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。

当自旋偏振的电子撞击在量子点上时，它就会发射光--更准确地说，它发射的是单光子，其状态（角动量）由电子自旋决定。因此，量子点被认为具有巨大的潜力，可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口，这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中，科学家们表明，可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋，而且是在室温下。

量子点由砷化铟制成，一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中，研究人员认为，这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。

“我们非常高兴的是，我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识，正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止，我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功，最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在，我们期待着继续这项工作，将光子学和自旋电子学结合起来，利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术，”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。

什么是自旋电子学？

自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。

电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生，就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中，电子电荷被用来代表0和1，并以此来承载信息。相应的，在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。

在量子物理学的世界里，一个电子可以同时拥有两个方向的自旋（从而处于1和0的混合状态）。当然，这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的，也是量子计算的关键。因此，自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。

光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光，反之亦然。光，光子就可以通过光纤，非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性，或者说得更准确一些，它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转，大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。

探索自旋晶体管

The Quest for the Spin Transistor

■Glenn Zorpette

微电子研究人员研究自旋至少已有20年历史了。事实上，他们的发现已经为硬盘驱动器带来了革命，从1998年起硬盘已经采用基于自旋的机制来实现更大的容量。在未来三年里，Motorola公司和IBM公司有望再进一步，推出第一款利用自旋特性的商用半导体芯片，一种称为M（意指磁性）RAM的新型随机存储器。MRAM速度快且是非易失性的，有望在美国每年106亿美元的闪存市场上占有相当的份额。如果工程师们可将成本降到足够低，MRAM甚至最终会侵入到每年350亿美元的RAM市场。

自旋方面的权威人士称存储器应用仅仅是自旋技术应用的开始。他们已将目标瞄准逻辑应用，这主要是受到过去两三年中获得的实验结果的鼓舞，实验显示这一自旋新技术与现有基于电荷机制的半导体电子学器件的制造材料和方法有非常好的兼容性。2000年2月份，美国国防部高级研究项目机构宣布了一项持续五年，每年投入1500万美元的计划，致力于推进各种利用自旋的半导体材料和器件的研究。

亚原子世界的奇特性质

目前自旋研究的支持者们预见了一种全新的电子学形式，称为自旋电子学。自旋电子学器件将利用电子的自旋来控制电荷的移动。再进一步，研究人员甚至可成功地制造出利用自旋本身（而不需要进行电荷的移动）来存储和处理数据的器件。自旋电子学比传统电子学设备消耗更少的能源，因为改变自旋所需要的能量仅是推动电荷移动所需要能量的很小一部分。

自旋电子学的另一个优点是其非挥发性：当电源关闭后，自旋不会变化。自旋的特定性能以及描述它的量子理论还指出自旋所具有的其它神奇的可能性，如每秒可变化10亿次的逻辑门功能（与、或、非等等）；可直接利用偏振光或电压信号进行工作的自旋电子学器件；可同时处于两种不同状态的存储器单元。加利福尼亚州立大学领导自旋电子学和量子计算中心的David D. Awschalom说："自旋提供了完全不同的功能。最令人激动的可能是那些我们还没有想到的。"

神秘的量子机制

自旋的奇特之处在于它直接涉及到做为现代物理学基础的量子理论的核心。于20世纪初发展起来的量子理论是非常精密的理论，其基本概念是在亚原子水平上，能量的交换必须以一定的最小量为单位，即是量子化的。

狄拉克于1920年代晚期预见了自旋的存在。在其获得诺贝尔奖的工作中，他统一了量子理论的能量和动量方程和爱因斯坦的狭义相对论。

自旋比较难于理解，这是因为在我们熟悉的宏观世界里缺少一个准确的对照物。其名字是按照宏观世界与之最接近的概念--旋转物体的角动量命名的。但通常的行星角动量，或旋转的球体，在停止运动后，角动量也消失了，因此是外在的。但自旋是一种粒子无法获得或失去的内在角动量。

事实上，角动量和自旋之间的类比不能走得再远了。粒子自旋并不是由于粒子的旋转，而电子也没有物理的维度，如半径。因此在经典的意义上说电子具有角动量严格来说是没有意义的。

最小的磁体

幸运的是，为了理解新近的进展，并不需要深入地了解自旋的特性。这时，通常用来使人们理解量子世界意义的不完善的类比还是很有用的，至少在自旋在磁性机制产生方面的作用而言是如此。

首先我们了解这样的事实，自旋使电子成为一个微小的磁体，具有南极和北极。小磁体南北极轴的朝向依赖于粒子的自旋轴。在普通物质的原子中，一些自旋轴指向"上"（相对于周围磁场而言）而同样数量的自旋指向"下"。粒子的自旋与磁矩相关，这可以想象为偏转电子自旋轴的方向柄。因此在普通物质中，向上的磁矩抵消了向下的，因此不能产生宏观磁性。

为了得到宏观磁性，需要铁磁材料，如铁，镍或钴。这些材料具有很多小的称为磁畴的区域，其中的电子自旋指向上或指向下的更多一些（至少在温度处于居里温度以下，热效应破坏磁性机制以前是这样）。通常这些磁畴是随机指向的，并且总自旋向上或向下的数量一样多。但适加的外部磁场可打破磁畴间的界限，使所有的磁畴沿着磁场的方向排列，即它们都指向同一方向。结果就形成永久磁体。

铁电材料是许多自旋电子器件的核心。利用电压差驱动电子流通过铁电材料，其中铁电材料起到自旋极化器的作用，将通过其中的电子自旋轴对齐，使它们都指向一个方向（上或下）。最基本和最重要的自旋电子器件之一是磁隧道结，其构造为两层铁电材料，中间用极薄的非导体层隔开（参见图）。该器件是由法国物理学家M. Julli re于1970年代中期展示的。

相对论晶体管

研究人员现在特别热衷探索的是类似传统晶体管（甚至可以产生增益）的基于自旋的器件。这方面的研究有几种不同的思路。最先提出的一种称为自旋场效应晶体管（FET）。最近的一种方法则将自旋与物理学家几十年来一起追求的一种器件--共振隧道晶体管，联系在一起。

1990年 Supriyo Datta 和 Biswajit A. Das（后来两人同时到了Purdue大学）在一篇后来发表于Applied Physics Letters杂志上的文章中提出了自旋FET的概念。两人建议的自旋FET器件，源极和漏极都是铁电材料，其中的电子自旋相同。可将电子注入源极，注入电子的自旋轴会取与源极和漏极同样的方向。这些自旋极化的电子将从源极以光速1%左右的速度贯穿到漏极。

这一速度很重要，因为以相对论速度移动的电子受某些效应的影响。其中一种效应是施加的电场看起来会象是一个磁场。因此施加在栅极上的电压会改变从源极向漏极移动的自旋极化的电子的自旋，从而使其自旋方面反转。因此电子的自旋会变得与漏极中的方向相反，从而使其不那么容易穿透到漏极。这样从源极进入漏极的电流会大大减小。

然而，在Datta和Das的文章发表11年之后，仍然没有人制造出可工作的自旋FET。

最近在德国柏林进行的工作可能会改变所有这些。去年7月Paul Drude大学的Klaus H. Ploog 及其同事研制的结果表明，他们采用一层在砷化镓上生长的铁薄膜来使注入GaAs的电子自旋实现极化。这一实验是在室温下进行的，其注入速度为2%，这一速度比同类实验要高。

NRL的Johnson说，这一工作"非常重要,它将为这一领域带来革命。从现

在起一年多以后，许多自旋FET研究人员都会利用铁来进行研究。"

另一类自旋晶体管制造方法则使用了称为共振隧穿的量子现象。利用此现象的器件将是共振隧穿二极管的扩展。此类器件的核心是一个极小的称为量子阱的区域，其中电子被限制于内。然后，在与量子阱能量相应的特定共振电压下，电子可以穿出封闭量子阱的势垒，术语称之?quot隧穿"。

通常，电子的自旋状态与隧道效应无关，因为自旋向上和向下的电子具有同样的能量。但采用不同的方法，研究人员可以设计出这样的器件，其中自旋向上和自旋向下的电子能级是不同的，因此存在两种不同的隧穿途径。这两种隧道可通过不同的电压控制；每种电压对应一种自旋状态。在一种电压下，可由自旋向下的电子产生一定的电流。在另一其它电压下，可由自旋向上的电子穿透量子阱的势垒产生一定的电流。

分开能级的一种方法是在量子阱的两边势垒中采用不同的材料，从而使得将电子限制在量子阱中的两端势垒能量在量子阱的两端不同。这一束缚势垒的差异对于移动中的电子来说可看成量子阱内存在两个区域，互相具有不同的磁场。这一非对称的磁场使得自旋向上和向下的状态具有不同的共振能级。

另一种分开能级的方法是简单地将器件置于磁场中。这一方法被由纽约Buffalo大学的研究小组所采用。

两个小组都还没有制造出可工作的器件，但此类器件的前景使得研究兴趣仍然很高。

希望之光

在这些研究人员进行上述器件研究的同时，他们还注意到另外一些科学家提出了全新一类实验器件。这一新兴的研究方法中采用的器件可以在半导体材料中建立或探测自旋极化的电子束，而不是采用铁电金属材料。在这些实验中，研究人员利用激光来克服将极化自旋的电子注入半导体中的困难。通过利用极化的激光光束照射普通的半导体材料，如砷化镓和硒化锌，他们得到了自旋极化的电子簇。

一些观察家认为依靠激光束非常不利。他们认为很难想象此类器件如何微型化到能够与目前的传统电子器件可比的程度，更不用说与传统电子器件在同一集成电路上协调工作了。而且，在某些半导体中，如GaAs，自旋极化只能在低温下持续存在。

在过去三年中，一系列突破性发现使这一领域成为一个活跃的学科。在Awschalom领导的实验室中取得了几项重要结果。他和其同事展示了自旋极化的电子簇保持他们极化的时间比预期的要长很多，可达到几百纳秒。Awschalom、Oestreich以及其它研究人员独立地制造出来自旋极化的电子簇，并在不失去电子极化的情况下使电子跨越半导体边界进行移动。

如果做不到这些，自旋在电子学方面根本没有发展潜力。请注意，实用的器件是通过改变自旋的方面进行工作的。这意味着自旋相干持续的时间至少要比改变自旋极化所需要的时间要长一些。而且，就象传统的电子器件一样，自旋电子器件，必须采用多层半导体材料制造，因此在不失去相干性的情况下，使自旋极化的电子簇通过半导体结就至关重要。

令人迷惑的进动 正如以前，Awschalom进行的实验中电子簇不仅自旋极化了，而且还显示出进动。进动发生在自旋极化的电子簇被置于一个磁场中时：磁场导致它们的自旋轴绕着磁场的方向旋转进动。旋转的频率和方面与磁场的强度以及进动发生时所处的材料性质有关。

这一合作小组利用圆极化光脉冲在GaAs中制造自旋相干的电子簇。然后施加磁场使电子进动，然后利用一个电压将进动的电子拉过半导体结，使其进入另一种半导体材料ZnSe中。研究人员发现，如果他们采用较低的电压将电子拉到ZnSe中，电子会在越过结后迅速具有ZnSe中的进动特征。然而，如果他们采用较高的电压将电子拉过结，电子就会保持其进动状态，就象仍然在GaAs中一样（见图2）。

"根据采用的电场不同，你可调节电流的行为。"Awschalom在一次采访中说，"这也使我们感到非常奇怪。"该小组在6月14日那期的Nature杂志上报告了其结果，等待全世界的理论学者解释这一现象。

这一合作中得到的其它结果更令人迷惑。研究人员进行了类似的实验，采用的是p型GaAs和n型ZnSe。N型材料依靠电子导电，而P型依靠空穴。由于采用两种不同的载流子类型的材料，在结附近存在一个电场。而且，这一电场已经足够强，以致可迅速将GaAs中的自旋相干电子簇拉到ZnSe中，并且其自旋相干性可保持数百纳秒。

这一结果在两个方面都令人鼓舞。正如Awschalom所说，"这表明您可制造由n型和p型材料构成的结器件，而自旋可顺利地通过两者的界面。"同样重要的是，试验表明，自旋可在不需要外加电场的情况下从一种半导体材料进入另一种半导体，这在商业器件中是不可能的。

此类器件至少还要数年才会出现。但即使是研究人员能够获得可在实验室条件下工作的自旋晶体管，仍然需要更大的突破才能使器件进入实用阶段。例如，器件需要圆极化的激光脉冲使其看起来不很方便实现，尽管Awschalom认为是有利的。他认为关键是光子将用于芯片间的通信，磁性单元用作存储器，而基于自旋的器件用来完成快速低功耗的逻辑功能。

这一切离现在都还太远，但这并不比在三极真空管占领导地位的日子里想象1GB DRAM来得更远。

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尽管电子器件越来越小，越来越快，但目前的晶体管只能缩小到一定程度，难以突破极限。

据报道，史蒂文斯理工学院的研究人员开发了一种新型的原子薄磁体半导体，这通过利用电子的电荷及其自旋的力量，将能够开发出以完全不同的方式工作的新型晶体管。

研究人员说，这可能提供了一种制造更小、更快的器件的方法，他们在2020年4月的《自然通讯》杂志上发表了这一发现。

自旋电子学是研究固态器件中电子的本征自旋及其相关的磁矩和电荷的学科。

由于摩尔定律，预计在不久的将来，标准电子器件将达到其“极限”。而自旋电子学提出了一种全新的电子 *** 作方式，并为标准电子器件的持续小型化提供了一种新的替代方案。

据悉，除了可以做到更小的器件，该团队的原子薄磁铁据说能够实现更快的处理速度、更高的存储容量和更少的能量消耗。

领导了这一项目的史蒂文斯机械工程EH Yang教授表示， “二维铁磁半导体材料中铁磁性和半导体特性共存，因为我们的材料可以在室温下工作，它使我们能够容易的半导体技术集成在一起。”

“在此材料中的磁场强度为0.5mT的而这样弱的磁场强度不能让我们拿起一个回形针，它是足够大的，以改变电子的自旋，其可用于量子比特应用，”加入史蒂文斯物理学教授斯特凡·斯特劳夫（Stefan Strauf）。

“这种材料的磁场强度是0.5 mT，虽然如此弱的磁场强度不能让我们吸起回形针，但它已足够强，足以改变电子的自旋，可以用于量子比特应用，” Stefan Strauf补充说。

研究人员认为，他们的发现可以为推进自旋电子学领域提供一个“关键平台”。

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