1839年德國(guó)礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯(Gustav Rose)站在俄羅斯烏拉爾山脈(Ural Mountains)的山坡上，拿起一塊以前未被發(fā)現(xiàn)的礦物，他從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)晶體管或二極管 ， 或者對(duì)傳統(tǒng)電子產(chǎn)品如何成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠钟腥魏胃拍钭?。他無(wú)法預(yù)料到他手里拿著的巖石，他稱(chēng)之為“鈣鈦礦”，可能是我們所知道的革新電子產(chǎn)品的關(guān)鍵 。

2017年，猶他大學(xué)的物理學(xué)家Valy Vardeny將鈣鈦礦稱(chēng)為下一代電子學(xué)新興領(lǐng)域的一種“奇跡材料” ， 稱(chēng)為自旋電子學(xué)，他堅(jiān)持這一主張 。在自然通訊雜志上發(fā)表的一篇論文中 ，Vardeny與王晶英，Dali Sun(現(xiàn)在北卡羅來(lái)納州立大學(xué))及其同事展示了兩種使用鈣鈦礦制造的器件，以展示材料在自旋電子系統(tǒng)中的潛力 。Vardeny說(shuō)，它的特性使自旋電子晶體管的夢(mèng)想更接近現(xiàn)實(shí) 。
自旋電子學(xué)
傳統(tǒng)的數(shù)字電子系統(tǒng)通過(guò)穿過(guò)導(dǎo)線的電子脈沖傳送二進(jìn)制信號(hào)(想想1和0) 。自旋電子學(xué)可以通過(guò)電子的另一個(gè)特征，它們的自旋方向(向上或向下思考)傳達(dá)額外的信息 。旋轉(zhuǎn)與磁性有關(guān) 。因此，自旋電子學(xué)使用磁力來(lái)對(duì)準(zhǔn)某個(gè)自旋的電子，或者“旋轉(zhuǎn)”到系統(tǒng)中 。
如果你曾經(jīng)做過(guò)舊的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)拖動(dòng)磁鐵沿著它的長(zhǎng)度將釘子變成磁鐵 ， 那么你已經(jīng)涉足了自旋電子學(xué) 。磁鐵將信息傳遞給指甲 。然后訣竅是傳輸和操縱該信息，這需要具有精細(xì)調(diào)整屬性的設(shè)備和材料 。研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)晶體管的里程碑，旋轉(zhuǎn)晶體管是幾乎所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的電子元件的自旋電子學(xué)版本 。這種器件需要一種半導(dǎo)體材料 ， 其中磁場(chǎng)可以容易地控制電子旋轉(zhuǎn)的方向 - 稱(chēng)為自旋軌道耦合的特性 。王說(shuō)，建造這樣一個(gè)晶體管并不容易 。“我們一直在尋找新的材料 ， 看它們是否更適合這個(gè)目的 。”
這是鈣鈦礦發(fā)揮作用的地方 。
【自旋電子學(xué)的奇跡材料經(jīng)受了考驗(yàn)】鈣鈦礦
鈣鈦礦是一類(lèi)具有特定原子結(jié)構(gòu)的礦物 。它們作為一種技術(shù)材料的價(jià)值在過(guò)去十年中才變得明顯 。由于這種原子結(jié)構(gòu)，研究人員一直在開(kāi)發(fā)鈣鈦礦成為制造太陽(yáng)能電池板的材料 。到2018年，它們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)23%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率 - 比2009年的3.8%大幅提升 。
與此同時(shí) ， Vardeny和他的同事正在探索自旋電子學(xué)和各種材料的可能性，這些材料可以證明在傳輸自旋方面是有效的 。由于鈣鈦礦中的鉛原子含量很高，物理學(xué)家預(yù)測(cè)該礦物可能具有強(qiáng)烈的自旋 - 軌道耦合作用 。在 2017年的一篇論文中 ， Vardeny和物理學(xué)助理教授Sarah Li表明，一類(lèi)稱(chēng)為有機(jī) - 無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的鈣鈦礦確實(shí)具有大的自旋 - 軌道耦合 。而且，注入雜化材料的旋轉(zhuǎn)壽命持續(xù)相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間 。兩項(xiàng)結(jié)果都表明 ， 這種混合鈣鈦礦有望作為自旋電子學(xué)材料 。
兩個(gè)自旋電子設(shè)備
Vardeny和Wang在他們最近的工作中完成的下一步是將雜化鈣鈦礦結(jié)合到自旋電子器件中 。第一種器件是自旋電子發(fā)光二極管或LED 。傳統(tǒng)LED中的半導(dǎo)體包含原子中的電子和空穴，其中電子應(yīng)該是，但不是 。當(dāng)電子流過(guò)二極管時(shí)，它們會(huì)填充空穴并發(fā)光 。
Wang說(shuō) ， 自旋電子LED的工作方式大致相同，但是使用磁電極，并且電子空穴被極化以容納一定旋轉(zhuǎn)的電子 。王說(shuō)，LED點(diǎn)亮圓極化電致發(fā)光，表明磁電極成功地將自旋極化電子轉(zhuǎn)移到材料中 。
“如果你把一個(gè)半導(dǎo)體和一個(gè)鐵磁體放在一起就可以進(jìn)行自旋注入，這是不言自明的 ， ”Vardeny補(bǔ)充道 。“你必須證明這一點(diǎn) 。他們證明了這一點(diǎn) 。“
第二個(gè)裝置是旋轉(zhuǎn)閥 。類(lèi)似的設(shè)備已經(jīng)存在并且用在諸如計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之類(lèi)的設(shè)備中 。在自旋閥中，外部磁場(chǎng)在開(kāi)啟的低電阻狀態(tài)和閉合的高電阻狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)閥中的磁性材料的極性 。
Wang和Vardeny的自旋閥做得更多 。使用混合鈣鈦礦作為器件材料，研究人員可以將旋轉(zhuǎn)注入器件 ， 然后使用磁性操作使旋轉(zhuǎn)在器件內(nèi)進(jìn)動(dòng)或擺動(dòng) 。
研究人員表示，這是一個(gè)大問(wèn)題 。“你可以開(kāi)發(fā)不僅對(duì)記錄信息和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有用的自旋電子學(xué)，還有計(jì)算 ， ”王說(shuō) 。“這是啟動(dòng)自旋電子學(xué)領(lǐng)域的人們的最初目標(biāo)，而這正是我們?nèi)栽谂Φ哪繕?biāo) 。”
總之，這些實(shí)驗(yàn)表明鈣鈦礦用作自旋電子半導(dǎo)體 。旋轉(zhuǎn)晶體管的最終目標(biāo)仍然是幾步之遙，但這項(xiàng)研究為未來(lái)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ) 。
“我們所做的就是證明人們認(rèn)為鈣鈦礦的可能實(shí)際發(fā)生了，”Vardeny說(shuō) 。“這是一大步 。”

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