石墨烯又一黑科技:或顛覆數字電路工作方式!

在自旋電子學(也稱磁電子學)的歷史上,石墨烯有著不同尋常的歷史。這種電子學利用電子本身的自旋狀態進行信息編碼,而非傳統地利用電子本身的電荷去編碼。最初,石墨烯并沒有出現在這項領域的視野內。因為當電子通過平面展開的石墨烯之后,自旋狀態沒有任何改變,而且電子的運動方向也仍然隨機,并沒有形成一定的路徑。但最近的一項實驗結果表明石墨烯對自旋電子學可能有很大的作用,這也改變了科研項目主管人員的看法。

  帶有過濾電子自旋功能的石墨烯節點概念圖:藍色的鎳薄層和紅色的鐵薄層內含有兩種自旋狀態(上旋和下旋)的電子。兩層金屬薄膜間放置了幾層石墨烯(石墨烯即單層碳原子組成的準二維平面),用來形成導電路徑,這條路徑只允許一種方向自旋的電子通過。電流通過這個金屬結點后,就成為了自旋極化電流。

  來自美國海軍實驗室(NRL)的一個團隊,最近做了一次實驗,他們把一層石墨烯放到了幾層鎳和鐵的中間。這種層疊結構,首次實現了常溫下可過濾電子自旋的薄膜類結點。這項結果可能對于下一代磁阻式隨機訪問存儲器(MRAM)的研發有著巨大幫助。MRAM的原理就是利用自旋極化后的脈沖,將存儲位的磁信息從0翻轉到1,亦可反向翻轉。

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  自旋過濾這種現象,使獲取高度自旋極化的載流子成為可能。實際上,這種設備的原理就和過濾器一樣,只允許某一種自旋方向的電子通過,阻礙另一種自旋方向的電子。這樣可以使電子的“上”和“下”旋可以被區分開來,從而形成了數字邏輯中的“0”和“1”。

  在這種層疊結構中,自旋過濾現象是由石墨烯和晶鎳薄膜的量子機械特性相互作用而產生的。在鎳層和石墨烯層對齊后,這種結構只允許一種特定自旋方向的電子從材料中流向另一端。

  “這種自旋過濾以前在理論上就有人預測過,但之前只在低溫高阻結構下被證實過”,NRL材料科學技術部門的首席研究員EnriqueCobas博士在一次發布會上提到。“新的結果證實,這種效應(自旋過濾,雷鋒網注)在常溫下多種設備矩陣的低阻結構中也可以存在。”

  在期刊ACS Nano的文章中,NRL的研究員們正在勘查石墨烯層疊后的導電性以及與其他材料的交互方式。為此,NRL的團隊創造出了一種新的方法,可以直接在一張平整的晶鎳合金薄膜上制造大片多層石墨烯薄膜。這種方法能夠保持鎳合金薄膜的磁特性,以便他們把這些薄膜排布成開關矩陣結點。

  “我們依然有改進的空間,因為理論上通過精密調整石墨烯的層數,這種效應可以增強一個數量級,”NRL材料科學技術部門的科研員Olaf van t Erve博士在一次發布會上講到。“然而,當前的模型并沒有包含在鐵磁接觸中發生的自旋轉換。當我們把那些效應也考慮進去的時候,我們就可以真正逼近100%自旋極化的理想狀況了。這可以使我們修改并優化當前的設備構造和材料,從而讓效應最大化。