荷兰格罗宁根大学研制出二维自旋晶体管
导读
据荷兰格罗宁根大学官网近日报道，该校物理学家们构造出一款二维自旋晶体管。背景
时下，电子器件基本上都是基于电子的电荷特性。金属导体或者半导体中的电荷定向运动会形成电流，电流可用于传输与处理数据信息。可是，当电流流经导线与半导体时，不可避免地会散发热量，产生能耗。
可是，除了电荷这一特性，电子还有另一种与生俱来的量子物理特性：“自旋”。它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋着的电子可创造出用于转移或存储信息的磁矩。
（图片来源：Sumio Ishihara）
研究电子自旋与自旋流等相关知识的学科，被称为“自旋电子学”。它是创造低功耗电子器件的一种颇具吸引力的替代方案。自旋电子器件具有体积小、速度快、功耗小等优势。在后摩尔时代，自旋电子器件有望成为基于电荷与电流的传统半导体器件的替代品。
基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen）
创新
近日，荷兰格罗宁根大学的物理学家们构造出一款二维自旋晶体管。在该晶体管中，通过石墨烯的电流产生出自旋流。过渡金属硫族化合物（TMD）单层被放置在石墨烯上方，引起石墨烯中的电荷-自旋转换。在2019年9月11日出版的《纳米快报（Nano Letters）》期刊上，科学家们描述了这个实验性的研究。
Talieh Ghiasi 与 Bart van Wees 在净室中。（图片来源：格罗宁根大学）
技术
石墨烯，碳的二维形式，是一种卓越的自旋输送机器。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
然而，为了创造或者操控自旋，电子与原子核之间的相互作用（自旋轨道耦合）是必需的。这种相互作用在碳中非常微弱，难以在石墨烯中生成和操控自旋流。然而，事实证明，当一种具有重原子（例如TMD）的单层材料放置在石墨烯上方，创造出范德瓦尔斯异质结时，石墨烯中的自旋轨道耦合将会得到改善。
在格罗宁根大学教授 Bart van Wees 领导的纳米器件物理学研究小组中，博士生 Talieh Ghiasi 和博士后研究员 Alexey Kaverzin 创造出一种异质结。他们采用金电极，可通过石墨烯发送纯电流，并创造出自旋流，这也被称为“Rashba-Edelstein效应”。这一效应的产生，是由于重原子的TMD单层（这个案例中是二硫化钨）相互作用。这个著名的效应，首次在石墨烯（与其他二维材料相似）中观测到。
下图为该纳米器件的示意图，用于在石墨烯与WS2组成的范德瓦尔斯异质结中观察电荷-自旋转换。紫色与红色的箭头分别表示电流和生成的自旋堆积。
（图片来源：Ghiasi et al）
Ghiasi 表示：“我们可以用自旋选择性的铁磁性钴电极，来测量电流在石墨烯中引起的自旋流。”这种电荷-自旋转换，让用石墨烯构造全电气的自旋电路成为可能。以前，自旋必须通过铁磁体注入。Ghiasi 补充道：“我们也展示了，自旋堆积的生成效率可通过施加电场来调整。”这意味着，他们构建出一种晶体管，其中的自旋流可以被打开和关闭。
价值
Rashba-Edelstein 效应并不是产生自旋流的唯一效应。研究表明，自旋霍尔效应也同样可以，但是这些自旋的朝向不同。Ghiasi 解释道：“当我们施加一个磁场，我们使自旋在磁场中旋转。这两种效应与磁场的相互作用产生的自旋信号具有不同对称性，这帮助我们在一个系统中区分每种效应作出的贡献。”这也是首次在同一个系统中观察到两种电荷-自旋转换机制。“这将帮助我们获取更多关于这些异质结中的自旋轨道耦合的基本认知。”
除了这项研究可以提供的基本认知，构造出一种全电气的二维自旋晶体管（没有铁磁体）对于自旋电子学应用来说也具有重要意义，这也是欧盟石墨烯旗舰项目的目标之一。“这一点非常正确，因为我们可以观察到室温下的这一效应。随着温度升高，自旋信号减弱，但是在环境条件下仍然显著存在。”
关键字
自旋、二维材料、晶体管
参考资料
【1】Talieh S. Ghiasi, Alexey A. Kaverzin, Patrick J. Blah, Bart J. van Wees. Charge-to-Spin Conversion by the Rashba–Edelstein Effect in Two-Dimensional van der Waals Heterostructures up to Room Temperature. Nano Letters, 2019; 19 (9): 5959 DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01611
【2】https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2019/09/20190912_spintransistor