效率提高两个数量级：自旋电子学，取得重大突破！

来源：天文物理

自旋电子学，取得重大进展！东京大学研究人员创造了一种电子元件，展示了对未来几代计算逻辑和存储设备非常重要的功能和能力。与以前尝试创建具有相同行为的组件相比，电能效率提高了一到两个数量级。这将在自旋电子学的新兴领域得到应用。自旋电子学探索高性能、低功耗的逻辑和内存组件的可能性。它是基于将信息编码成电子自旋的思想。

这是一个与角动量有关的性质，而不是通过使用电子包来表示位。开启自旋电子学潜能的关键之一在于能够快速有效地磁化材料。东京大学田中正明教授及其同事在这方面取得了重要突破。该团队已经创造了一个组件，一个铁磁性材料薄膜，其磁化可以完全逆转的应用非常小的电流密度。这比以前的技术所要求的电流密度要小一到两个数量级，所以这种装置的效率要高得多

研究人员正在努力解决磁性存储设备磁化逆转所需的大功耗问题。铁磁性半导体材料镓锰砷化镓(GaMnAs)是这项任务的理想选择，因为它是一种高质量单晶。较不有序的薄膜有翻转电子自旋的不良倾向。这类似于电子材料中的电阻，科学家试图降低这种低效率。

研究小组在实验中使用的GaMnAs胶片在另一方面也很特别。由于一种称为分子束外延的制造工艺，它特别薄。用这种方法可以比其他尝试使用多层薄膜而不是单层薄膜的类似实验更简单地构造器件。没有预料到这种材料的磁化强度会以如此低的电流密度逆转，当发现这种现象时，研究人员非常惊讶。

研究将促进材料开发的研究，以更有效地逆转磁化，这反过来又将帮助研究人员实现自旋电子学有希望的发展，其研究发表在《自然通讯》上。自旋轨道转矩(SOT)是由大自旋轨道耦合的平面内电流引起，它使一种通过电流注入来控制铁磁体磁化的创新方法成为可能。在传统SOT双层系统中，磁化开关效率与界面质量和自旋霍尔效应的强度密切相关。

在垂直磁化的铁磁半导体GaMnAs的单层中施加电流实现高效的全SOT切换，电流密度非常小，约为3.4cm×105cm，比典型的金属双层系统所需的电流密度小两个数量级。这种低要求电流密度是由于GaMnAs固有的体反转不对称性，以及其高质量的单结晶度和大的自旋极化。研究成果将有助于磁性电子控制的发展及其在半导体器件中的实际应用。