计算机的一项有前途的技术是自旋电子学知识点.docx

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1、下一代计算机的一项有前途的技术是自旋电子学，它是一种电子，它取决于电子的自旋（本征角动量），而不是电子。但是，用于控制旋转的可用方法需要的电流对于实际应用而言太大。在在纸控质，诺尔等。I报道了一种允许使用电场进行低功率自旋控制的方法。在过去的50年中，计算能力的指数级增长很大程度上是由场效应晶体管2（硅芯片的基本组件）的不懈小型化推动的。电子工程师戈登摩尔（GordonMoorc）曾在1965年期望这种持续缩小的规模，3导致了惊人的20亿个晶体管，这些晶体管现在通常在现代个人计算机的处理器中发现。半导体行业提出了一个路线图，概述了计算机材料，设备和系统的技术发展，以保持这些历史上计算能力的增长

2、速度（https:/irds.ieee.org）。路线图中增长的部分解决了该领域的紧迫问题:基于当前使用的技术的晶体管无法进一步缩小规模，因为将很快达到微型化的物理极限。没有与该问题相关的若干技术和材料问题的已知解决方窠。因此，材料科学家，物理学家和工程师正在研究一系列潜在的计算机技术新工作原理。新方法的开发还使其他目标成为目标，例如降低能耗或将多个功能集成到组件中以加速数据处理。降低功耗的一种方法是消除对维持晶体管逻辑状态（ON或OFF）的连续电源的需求。这可以通过使用铁性材料（例如具有永久极化的铁电化合物）或压电机械设备来实现，这些设备需要电源以在逻辑状态之间切换，但不保留这些状态4。自旋

3、电子技术也引起了人们的关注，因为这种方法有望减少电耗5,即电能浪费为热量。在发展更高效的计算技术的竞赛中，铁性方法与自旋电子学6的结合可能特别有效。但是，这些方法中的许多方法都将需要新材料-例如，常规电子设备中使用的半导体不具有铁性。一类称为复合氧化物的化合物特别受关注，因为它们具有永久性的电和磁偶极子，从而为需要永久性态的应用打开了大门。尽管复合氧化物由于产生更多的电耗而不如传统晶体管中使用的半导体那样好，但它们对自旋电子学7具有卓越的性能。已经观察到有趣的电子相在两种复合氧化物之间的界面处形成。诺尔和他的同事专注于一种叫做电子气的相：一个超薄（几纳米厚）的导电电子层，形成在钛酸锢（STo）

4、的表面上，钛酸锢的表面已被一层铝覆盖。STO可能最好地说明了过渡金属氧化物电性能的叁杂性。以其纯净的形式，它是一种介电材料（电绝缘体），在低于4开尔文的温度下有变成铁电的趋势，但由于量子涨落8而没有这样做。但是，对STo的化学性质进行调整（例如用钙原子替代某些锯原子）可能会使该化合物越过边缘而变成真正的铁电体9。并且，通过被称为电子掺杂的过程，翎原子替代了一些锯原子，从而增加了STo中的电子数量，并将该材料变成了金属导体，甚至变成了超导体明铝/STO界面上的电子被限制在气体中的一个后果是，它们的自旋与它们的动量耦合，这种现象称为自旋-轨道相互作用Ho与NoM等乂在同一研究小组的工人。以前已经证

5、明了12种自旋动量纠缠：当他们向电子气中注入自旋极化电流（沿一个方向定向的自旋流）时，他们观察到常规电流（充电电流），其方向取决于自旋方向和自旋轨道耦合。这是自旋极化通过自旋-轨道相互作用转换为电子运动的结果。Noe1现在，我们报告了对STO电子-气体系统的令人惊讶的观察，这种观察增加了这种复杂的行为。当作者向STO施加电场以控制气体中的自旋-轨道耦合时，他们观察到了磁滞效应-气体中产生的电荷电流的方向“记住”了施加电场的极性，即使在字段被删除（图1）。此外，当他们表征气体下方绝缘STo的特性时，他们观察到通常归因于铁电化合物的特征：当STo两端施加的电压极性反转时，会产生充电电流尖峰。这种现

6、象通常与铁电材料中电偶极子的反转有关。作者的系统具有自旋电子学的潜在应用，因为它起自旋检测器的作用，类似于仅沿特定方向透射偏振光的光学偏振器。此外，当施加电压的极性反转时，自旋滤波器的选择性发生变化，从而使具有“自旋向上”极化的电子向右移动，而不是向左移动。至关重要的是，在没有施加电压的情况下仍保持这种选择性。这样可以最大程度地降低功耗，并打开用于内存存储的应用程序。以前已经在STo中观察到类似铁电体的行为（例如，参见参考文献14-16）。但是，NoE和他的同事观察到的这种效果的特殊之处在于，只有在施加的电场超过临界值时才会出现这种效果。这就引起了人们的担忧：真正的铁电材料不会仅在高电场下显示

7、极化。它是一种即使在没有外部电场的情况下也会发生的固有状态。No8及其同事的数据表明，低温下，系统中会发生类似于“松弛”状态的现象，其中STO的一部分由具有电极化的纳米级畴组成，并在施加的电中移动或重定向领域。相反，真正的铁电化合物中的所有材料都是极化的。可以推测，极性壁崎的运动（在两个具有不同晶体学取向18的STO域之间形成的边界）会产生NOd及其同事观察到的峰值电流。但是，鉴于STo的电子行为丰富，其他微观机制可能也会发挥作用。作者设备制造期间在STo中产生的点缺陷也可能起作用。当前，对STO中的域墙的研究正在蓬勃发展，并且可能会为观察到的行为找到一个解释。同时，作者演示了复合氧化物界面上自旋轨道耦合的永久转换，表明此类材料有可能在竞争中寻求更高效的计算。