導讀
近日，意大利國際高等研究院（ SISSA ）科研團隊研究了一種微小的石墨烯納米薄片，並在這種六邊形的納米結構中發現了量子乾涉和與生俱來的磁性。 這項研究成為自旋電子學研究的又一重要進展，極具應用前景。
背景
自旋 （ Spin ），是粒子的量子力學特性。 Spintronics ，即“ 自旋電子學 ” ，是一項旨在操控電子自旋的 前沿科技 。 傳統的電子器件，往往都是利用 電荷 運動形成的電流，傳輸和處理相關信息數據。 然而， 自旋電子學則利用了電子的 自旋 或 磁矩 作為信息載體。
自旋電子學的相關應用包括： 硬盤磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極管 等。 相比於傳統的微電子器件， 自旋電子器件 具有存儲密度高、能耗低、響應快等優勢。
自旋電子學既可以用於數據存儲領域，也可以用於數據處理領域。 在 數據處理 方面，先請大家看兩個例子：
1）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家 採用自旋電子學原理 ，設計出 由石墨烯納米帶和碳納米管構成 的 全碳自旋邏輯器件 。
（圖片來源於:參考資料【3】）
2）荷蘭格羅寧根大學的物理學家開發出的 基於 磁振子的自旋晶體管 。
（圖片來源： L. Cornelissen ）
數據存儲 方面，例如： 新加坡國立大學發明的新型超薄多層膜，它能夠有效 利用手型自旋結構單元 “ 斯格明子 ” 進行數據存儲。 具有 磁性斯格明子 結構的材料，有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁自旋存儲器件的理想候選材料。
（圖片來源於：參考資料 【4】 ）
因此，我們可以想像，未來自旋電子學有望將數據的存儲和處理功能集成於同一器件，避免了數據 存儲器和處理器之間 來回移動，從而提升計算機的整體效率，帶來更快速、更節能的計算機。
創新
今天，筆者 要為大家介紹自旋電子學研究的又一重要進展。 近日，意大利國際高等研究院（ SISSA ）科研團隊研究了一種微小的 石墨烯納米薄片 ，對於納米電子學領域的應用來說，這將是一種非常有前途的材料。 這項研究的參與者最近在《 納米快報（ Nano Letters ）》上發表了相關論文。 這種六邊形的磁性納米結構可利用“量子效應”調製電流。
下圖左方：由磁性納米片組成的自旋濾波器。 以“向下”或者“向上”方式自旋的電子組成的電流以均等比例流過該設備。 由於在自旋通道（ 例如：向下） 中的破壞性干涉，出來的電流普遍由向上自旋的電子組成。 在下圖右方：設備示意圖和自旋濾波器的效率圖。
（圖片來源於：Angelo Valli ）
Massimo Capone 領導 了這項研究，研究中採用了理論分析和計算機仿真。 最近， Massimo Capone 成為了《物理評論快報（ Physical Review Letters ）》（美國物理學會的著名雜誌）雜誌的傑出審稿人。 論文的作者還包括： Angelo Valli 、 Adriano Amaricci 、Valentina
Brosco。
技術
Angelo Valli 和 Massimo Capone 解釋道：“我們能夠通過分析石墨烯納米薄片的特性，觀測到兩種關鍵現象。這種兩種現像都對於未來可能的應用來說都非常有價值。”
第一種現像是 電子之間的“干涉 ”，它是一種量子現象：“在納米片中， 如果我們在特定的組態中測量電流， 電子會通過一種“破壞性”的方式相互干涉。 這意味著沒有電流傳遞。 它是一種典型的量子現象，只在非常微觀的尺度上才會發生。 通過研究石墨烯薄片，我們認為 有可能 將 這種現象帶到更大的系統中，從而進入到納米世界中，而且這種現象可以 在這個級別上 被觀測到，並在納米電子學中具有多個可能的用途。 ”這兩位研究人員在“ 量子乾涉晶體管 ”中解釋了這種現象， 破壞性干涉 是“關”的狀態；然而，排除乾涉條件後則是 “開”的狀態， 從而使得電流流動。
然而，研究不止於此。 研究人員演示，納米片顯現出前所未有的 新磁性 。 例如，在整個石墨烯片中： “磁性自發地出現在邊緣，無需任何外部的干預。這樣便可以創造出自旋電流。 ”
價值
研究人員解釋道， 量子乾涉 和 磁性 現象相結合後，可以獲取到幾乎完整的自旋極化，這在自旋電子學領域具有巨大的潛力。 這些特性可以被利用，例如，在存儲和信息處理技術中，把自旋理解為二進制代碼。 電子自旋，是量子化的，只有兩種可能的狀態（我們稱之為“向上”或者“向下”），非常適合採用這種材料實現。
未來
為了提高相關設備的效率以及電流極化的百分比，研究人員也開發了一種協議，設想在石墨烯薄片與 六方氮化硼 的表面之間進行交互。 研究的領頭人 Massimo Capone 總結道：“獲取的結果非常有趣。這個現像有待實驗測試，從而使得我們確認理論上預測的結果。”
關鍵字
參考資料
【1】 https://www.sissa.it/sites/default/files/Nanoflakes_0.pdf
【2】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b00453
【3】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635
【4】 Pollard, S. D., Garlow,
J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10).
Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers
with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications .
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