研究前沿：Nat. Mater.新闻与观点-自旋电子学，硅成为重量级

编者按：近日，英国利兹大学Christopher H. Marrows在Nature Materials上发表新闻与观点，阐释了自旋电子学中，硅成为重量级方面。在纯硅异质结构中，引入了大量的自旋轨道相互作用，并可通过施加的栅极电压进行调整。

自旋电子学，是以电子自旋作为状态变量，利用电子自旋状态的存储和操纵，来记录和处理数据。然而，这两个函数之间存在张力：自旋-轨道相互作用能够操纵自旋态，但会缩短自旋寿命，因为自旋不再是一个好的量子数。现在，在 Nature Materials 上，Masashi Shiraishi 和合作者表明，可以在无处不在的半导体硅中，实现相当大且可调谐的自旋轨道相互作用，作为一种轻元素，通常表现出弱的自旋轨道相互作用。这种“合成”自旋轨道相互作用，可以通过施加电压来打开和关闭。 为此，新型自旋电子器件，可以很容易地集成到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路中。

1990 年，在自旋电子学诞生期间，Supriyo Datta 和 Biswajit Das 提出了一种基于自旋的晶体管，该晶体管利用重元素中的自旋-轨道相互作用，来操纵自旋以切换源漏电导。在这个现在被称为 Datta-Das 晶体管的器件中，电压被施加到磁源和漏极触点之间的通道，分别充当自旋偏振器和分析器。在二维系统中，自旋轨道相互作用的 Rashba 形式，将内部电场转换为有效磁场。围绕该有效场进动的电子自旋，可以将其自旋极化方向，从源极接触的磁化强加到漏极的磁化方向旋转。因此，通道的电导，可以通过施加的电压进行调制。

 2009 年，首次构建在这一原理工作的自旋晶体管，最近已经展示了互补版本。然而，这些器件，依赖于基于 InAs ，并在 InP 晶片上生长的化合物半导体结构，这种材料系统，与基于硅的 CMOS 技术，没有很好地集成。虽然在过去的几十年里，硅自旋电子学取得了许多进展，但普遍认为，硅很轻，因此，自旋轨道相互作用很弱，这意味着这种自旋操纵是不可能的。

现在，有研究表明，可以在硅 MOS 结构中，生成“合成的”Rashba 自旋轨道相互作用。将由传统铁磁体（铁和钴）制成的磁性触点，连接到具有 MOS 顶栅结构的 100 nm 厚 n 型硅通道，并对自旋扩散引起的自旋电压，进行非局部测量- 沿通道极化电子（图 1a）。当电子移动时，如果存在磁场，自旋进动（图 1b）。这种进动，因此自旋投影到探测器触点的磁化上，在更强的场中更快，导致测量的电压随着场的扫描而振荡。在没有自旋轨道 Rashba 有效场的情况下，对于平行和垂直于通道平面的场，这种振荡是相同的。然而，在存在自旋轨道相互作用的情况下，会出现一个面内 Rashba 场，与面内和垂直外部场的结合方式不同，导致振荡自旋信号出现可测量的差异。

图1 硅中栅极控制的合成自旋轨道相互作用。a，在没有施加电压的情况下，自旋极化的电子在磁触点之间扩散。b，在施加栅极电压的情况下，随着合成自旋轨道场的扩散，自旋进动。

利用这个想法，来测量不同栅极电压下 Rashba 场的强度。对于实验中使用的最大电压 100 V，测得的效应与在非门控 GaAs 中观察到的一样强。因此，人工制造的硅，就像一种更重的材料。然而，至关重要的是，关闭栅极电压，会关闭自旋轨道相互作用，使 Si 通道恢复为轻元素的典型行为。

高介电常数的栅极绝缘体，例如氧化铪，可以将电场增加 20 倍，利用较小的外加电压，可以获得类似的结果，范围为 CMOS 电路中使用的几伏电压。

通过自旋轨道相互作用，在硅中进行自旋操纵不仅是可能的，而且可以电控。论文中提出的系统，可以通过调整栅极电压，从易于操纵的自旋状态切换到，具有长寿命自旋的状态。因此，在为自旋晶体管器件选择材料时，不再需要选择这两种特性之一：可以根据需要在操作过程中动态地来回切换，施加电压进行快速自旋操作，然后将其关闭，尽可能长时间地保持自旋状态。

与 CMOS 制造工艺兼容的自旋电子器件是可能的，基于自旋和电荷的信息技术得到改进，这会使难以捉摸的自旋晶体管更接近现实。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01055-7

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01055-7

Lee, S. et al. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01026-y (2021).

本文译自“Nature”。