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。

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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”。

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究人员在聚合物半导体的自旋流探测及其薄膜结构-自旋传输性能关系研究中取得新进展，相关研究成果在美国化学会(ACS)旗下期刊《ACS应用材料和界面》(ACS App lied Materials &Interfaces)上在线发表。

有机半导体材料具有微弱自旋-轨道耦合和超精细相互作用，可作为有前途的自旋极化传输介质，因此寻找新型有机自旋电子材料、 探索 其自旋极化传输过程和机制具有重要意义。此前这方面研究大多通过制备有机自旋阀器件来测量携带着自旋极化的电子传输，但存在铁磁/半导体界面的电导失配等问题，严重制约了对有机半导体自旋传输特性定量深入研究。近年来，自旋泵浦激发和探测纯自旋流（不伴随净电荷电流）由于能克服界面电导失配问题，逐渐成为 探索 半导体材料本征自旋传输性质的有力手段。

强磁场中心张发培课题组与研究员童伟合作，采用铁磁共振(FMR)自旋泵浦技术 结合 逆自旋Hall效应（ISHE）测量，研究了新型聚合物半导体PBDTTT-C-T的自旋极化传输特性。他们通过设计一种适合低噪声电压测量的样品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治结构中探测到清晰的ISHE信号，通过测量ISHE电压随PBDTTT层厚度的变化，观察到PBDTTT层中纯自旋流传输和长的自旋驰豫时间。

令人吃惊的是，研究人员首次利用半导体/绝缘体聚合物共混薄膜作为自旋极化传输介质，在低含量PBDTTT与绝缘的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能测量到很强的ISHE电压信号，并发现共混薄膜的自旋扩散长度和载流子迁移率相对于“纯”PBDTTT薄膜有显著的提高。他们通过综合性薄膜微结构测量发现，PBDTTT骨架链bundle在绝缘的PS基体中形成相互连通的纳米细丝网络，构成 贯穿 薄膜的快速电荷传导通路，可以解释共混薄膜更高的电荷和自旋传输能力。此外，还发现PBDTTT的自旋扩散长度具有弱的温度依存性，与基于自旋-轨道耦合的自旋弛豫机制一致。

这些结果清楚地表明，有机半导体的薄膜结构特性，如分子取向和堆积方式以及薄膜形貌等，对其自旋传输性能有关键性的影响。该工作对理解有机半导体自旋极化传输微观过程和机制有重要意义，并为寻找低成本、高性能有机自旋电子材料提供新途径。

该项研究获得国家自然科学基金项目以及国家重点研发项目的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b16602

图(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治结构器件上ISHE效应的产生，(b) 该器件所测的总电压谱（随磁场变化）及其退卷积。其中VLorentz对应于ISHE电压，(c) ISHE电压分别随PBDTTT-C-T介质层和PBDTTT/PS共混膜介质层厚度的变化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋扩散长度ls。

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