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|石墨烯与二维材料使电子器件超越“摩尔定律”


导读
据英国曼彻斯特大学官网近日报道 ， 该校与来自荷兰、新加坡、西班牙、瑞士、美国的研究人员发表了一篇新综述 ， 概述了计算机设备开发领域的新动向 ， 指出基于石墨烯和二维材料的自旋电子学技术 ， 将成为新一代电子产品的基础 。
?背景
在石墨烯以及相关二维材料中电子自旋输运的研究中 ， 近期的理论和实验进展以及现象 ， 已经成为一个引人入胜的研发领域 。
|石墨烯与二维材料使电子器件超越“摩尔定律”
本文插图

（图片来源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格罗宁根大学）
自旋电子学 ， 是电子学与磁学在纳米尺度的结合 ， 并有望通向新一代高速电子器件 。 对于超越摩尔定律的纳米电子器件来说 ， 自旋电子器件是一种可行的选择 。 与依赖电流的传统电子器件相比 ， 它将提供更高的能量效率以及更低的损耗 。 原则上 ， 我们可以让手机和平板电脑使用基于自旋的晶体管和存储器 。
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（图片来源：Sumio Ishihara）
创新
近日 ， 英国曼彻斯特大学与来自荷兰、新加坡、西班牙、瑞士、美国的研究人员在美国物理学会出版的《现代物理学评论（Review of Modern Physics）》上发表了一篇论文 ， 研究人员在论文中提出了关于由异质结构及其演生现象的新观点 ， 这些现象包括近邻近实现的自旋轨道效应、自旋与光的耦合、电气可调谐性以及二维磁性 。
如下图所示 ， 二维范德瓦尔斯异质结构中新兴的自旋电子现象 。 鉴于石墨烯的自旋松弛长度较长 ， 它可作为理想的自旋输运通道 。 在通道中心 ， 两个磁触点用于电气注入或者检测自旋电流 。 通过使用石墨烯和过渡金属二卤化物的异质结构来避免对磁性接触的需求 ， 这些异质结构可实现直接光学自旋注入（左上）和直接的电荷自旋转换（右下） 。
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（图片来源：曼彻斯特大学）
技术
许多人已经在笔记本电脑和个人电脑中遇到过自旋电子学 ， 这些电脑以硬盘驱动器读磁头中的磁性传感器的形式使用了自旋电子学 。 这些传感器也用于汽车工业 。
自旋电子学是开发电子产品的一个新方法 。 在这些电子器件中 ， 存储器件（RAM）与逻辑器件（晶体管）均通过“自旋”实现 ， 自旋是电子的基本特性 ， 使其表现得既像微型磁体又像电子电荷 。
【|石墨烯与二维材料使电子器件超越“摩尔定律”】曼彻斯特大学凝聚态物理系讲师 Ivan Vera Marun 博士表示：“石墨烯自旋电子学领域的不断进步 ， 以及更广泛的二维异质结构 ， 导致了使用之前无法通过石墨烯单独实现的效果 ， 高效地创建、传输以及检测自旋信息 。 ”
“随着继续在基础和技术方面付出努力 ， 我们相信弹道自旋输运将在二维异质结构中实现 ， 甚至是在室温下 。 这种输运使得电子波函数的量子力学特性得到实际运用 ， 使二维材料中的自旋服务于未来量子计算方案 。 ”
石墨烯及其他二维材料中可控的自旋输运 ， 越来越有望应用到各种器件中 。 令人特别感兴趣的是定制的异质结构 ， 也称为“范德华异质结构” ， 它由二维材料以精确控制的顺序堆叠而成 。 这篇综述描述了石墨烯电子学这一开发领域的概况 ， 并概述了实验和理论的最新进展 。
数十亿的自旋电子器件 ， 例如传感器和存储器 ， 已经被制造出来 。 每个硬盘驱动器都有一个使用自旋流的磁性传感器 ， 而且磁性随机存储器（MRAM）芯片变得越来越受欢迎 。
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