原子级半导体！下一代的自旋量子电子技术

EETOP

www.eetop.cn bbs.eetop.cn

blog.eetop.cn edu.eetop.cn

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”。

像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时，可以表现出相互影响的方式。例如，当磁场垂直于载流导体的平面施加时，内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面，很快，导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到，如铁磁体。

科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"（AHE），它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而，它的机制要更复杂一些。目前，最被接受的一种说法是，AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的，它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的，更常见的是"自旋-轨道相互作用"。

磁性排序对AHE来说是必要的吗？最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出，即使在磁秩序消失的温度以上，也有可能出现大的AHE，特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中，这与自旋方向相对于运动方向有关，"东京工业大学（Tokyo Tech）的副教授内田博士解释说，他的研究重点是凝聚态物理。

出于好奇，内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中，他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性，该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构，并观察到23K以下的反铁磁（AFM）行为（相邻的电子自旋排列在相反的方向）。此外，他们观察到，在有外部磁场的情况下，该材料的电阻随温度急剧下降，这种行为被称为"巨大的磁电阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被观察到，在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解，在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的，这种耦合在很大的温度范围内持续存在。

然而，真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升，它在70K的温度下达到顶峰，远远高于AFM排序温度，这表明在没有磁性排序的情况下，大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE，研究小组进行了模型计算，结果显示，这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射，在这种"跳跃制度"下，电子不流动，而是在原子之间"跳跃"。

这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并有可能打开一个新的研究领域，即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。

---