自旋电子学的奇迹材料经受住了考验

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【自旋电子学的奇迹材料经受住了考验】1839年，德国矿物学家古斯塔夫罗斯站在俄罗斯乌拉尔山的山坡上，捡到了一种以前没有发现的矿物。他从未听说过晶体管或二极管，也不知道传统电子产品是如何成为我们日常生活中不可或缺的一部分的。他无法预测手里的石头，他称之为“钙钛矿” ，这可能是我们所知的电子产品创新的关键。
2017年，犹他大学的物理学家ValyVardeny将钙钛矿称为下一代电子学新领域的“奇迹材料” ，称之为自旋电子学，他坚持这个命题。在《自然通讯》(NatureCommunications)杂志上发表的一篇论文中，瓦尔登和王静莹、达利孙(现北卡罗来纳州立大学)及其同事展示了两种由钙钛矿制成的器件，以展示材料在自旋电子学系统中的潜力。Vardeny说，它的特性让自旋电子晶体管的梦想更接近现实。
自旋电子学。
传统的数字电子系统通过电线传输电子脉冲来传输二进制信号(比如1和0) 。自旋电子学可以通过电子的另一个特征传递额外的信息，即它们的自旋方向(向上或向下思考) 。旋转与磁性有关。因此，自旋电子学利用磁力来对准一个旋转的电子，或者将它“旋转”到系统中。
如果你做过古老的科学实验，通过反复拖动磁铁的长度，把钉子变成磁铁，那么你就参与了自旋电子学。磁铁向指甲传递信息。那么诀窍就是传输和操纵这些信息，这就需要性能经过微调的设备和材料。研究人员正在努力实现旋转晶体管的里程碑，这是几乎所有现代电子产品中电子元件的自旋电子版本。这种器件需要一种半导体材料，在这种材料中，磁场可以很容易地控制电子旋转的方向——这种特性被称为自旋轨道耦合。王说，建造这样一个晶体管并不容易。“我们一直在寻找新的材料，看看它们是否更适合这一目的。”
这就是钙钛矿的工作原理。
钙钛矿
钙钛矿是一种具有特定原子结构的矿物。它们作为技术材料的价值在过去十年才变得明显。由于这种原子结构，研究人员一直在开发钙钛矿作为制造太阳能电池板的材料。到2018年，他们已经实现了高达23%的太阳能转化为电能的效率，比2009年的3.8%有了显著提高。
与此同时，Vardeny和他的同事正在探索自旋电子学和各种材料的可能性，这些材料可以证明在传输自旋方面是有效的。由于钙钛矿中铅原子含量高，物理学家预测这种矿物可能具有很强的自旋轨道耦合。在2017年的一篇论文中， Vardeny和物理学助理教授黎一墨表明，一类被称为有机-无机杂化钙钛矿的钙钛矿确实具有大的自旋轨道耦合。此外，植入的混合材料的旋转寿命持续相对长的时间。这两个结果都表明这种杂化钙钛矿有望用作自旋电子材料。
两个自旋电子器件。
Vardeny和Wang在他们最近的工作中完成的下一步是将混合钙钛矿结合到自旋电子器件中。第一种装置是自旋电子发光二极管或发光二极管。传统发光二极管中的半导体包含电子和原子中的空穴，其中应该有电子，但没有。当电子流经二极管时，它们会填充空穴并发光。
王说，自旋电子发光二极管的工作原理是一样的，只是使用磁性电极，电子和空穴被极化以容纳某些旋转的电子。王说，LED点亮圆极化电致发光，这表明磁电极成功地将自旋极化电子转移到材料中。
“如果把半导体和铁磁体放在一起，就可以进行自旋注入，这是不言而喻的，”Vardeny补充道。“你必须证明这一点。他们证明了这一点。”
第二种装置是旋转阀。类似的设备已经存在，并被用于计算机硬盘等设备中。在自旋阀中，外部磁场在打开的低电阻状态和关闭的高电阻状态之间反转阀中磁性材料的极性。
王和瓦尔登尼的旋转阀做得更多。利用混合钙钛矿作为器件材料，研究人员可以在器件中注入旋转，然后利用磁操作使旋转在器件中进动或摆动。
研究人员称这是一个大问题。“你可以开发自旋电子学，它不仅对记录信息和存储数据有用，而且对计算也有用，”王说。“这是在自旋电子学领域起步的最初目标，也是我们仍在努力实现的目标。”
总之，这些实验表明钙钛矿被用作自旋电子半导体。旋转晶体管的最终目标还有几步之遥，但这项研究已经为未来的发展奠定了重要基础。
“我们所做的是证明人们认为钙钛矿的可能性确实发生了，”Vardeny说。“这是一大步。”