在室溫矽中注入自旋極化電子
- 上線日期：2009/12/11 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
荷蘭物理學家首度證明自旋極化(spin-polarized)的電子可以在室溫下注入矽中，他們將電子注入p型與n型的矽中，並量測它們的極化能維持多久。雖然測得的生命周期比預期短，但物理學家認為已足以支持自旋電子元件的發展。
電子的本徵自旋可以是「朝上」或「朝下」，此特性能用來儲存或處理自旋電子元件中的資訊。這類電路由於是靠翻轉自旋而非切換電荷來操縱，因此比傳統電路的尺寸更小也更節能。另一方面，矽是傳統電路的主要材料，物理學家已經知道在溫度低於150K時它可以用來傳輸自旋極化電子，然而將溫度提高到室溫以利元件實用化，仍是一項挑戰。
最近，特溫納(Twente)大學的Ron Jansen等人首度在室溫下將自旋極化電子注入矽中。他們先在矽基板上沉積三個絕緣二氧化矽接點，然後在每個接點加上磁性金屬電極。這些金屬的磁化方向為平行矽表面，電子由一個電極流出，穿過矽，再流入另一電極。研究人員測量頭尾兩電極間的電壓來決定電阻。
磁性電極上的電子是被極化的，且大部分自旋指向特定方向。當電子穿隧通過絕緣層並進入矽，有些極化被保存下來，導致自旋在源極電極下方累積。身為費米子，自旋方向相同的電子會彼此迴避，因此接點電阻會隨著矽中累積更多極化電子而增加。
然而，若施加一垂直極化方向的磁場，自旋會對此磁場做進動(precession)，因而減少自旋的累積與接點電阻。Jansen等人藉由量測不同磁場強度下兩個電極間的電壓，觀察到這個效應，並由電阻的改變量計算出矽中自旋累積量─室溫下約5%。他們也能根據電壓與外加磁場的關係曲線估算矽中自旋的平均生命期─在n型矽中約140 ps，在p型中約為270 ps。
生命期約200 ps的自旋可以在自旋元件中前進數百奈米，Jansen指出，這用來製作尺寸僅數十奈米且操作頻率為10-100 GHz的自旋電子電路已綽綽有餘。詳見Nature 462, p.491 (2009)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/41071
譯者:孫士傑(高雄大學應用物理系)
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