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科学家制成第一个高温自旋场效应晶体管

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【新三才编译首发】据每日科学网报导,以得克萨斯州农工大学物理学家贾罗.辛诺瓦为主的一个国际研究团队日前宣布制成了自旋场效应晶体管---基于电子自旋的电子元件。这一研究成果是过去20年来这一领域的研究高峰。他们的研究成果发表在科学杂志上。

该小组还包括来自日立公司位于剑桥实验室,英国剑桥大学和诺丁汉大学及,捷克科学院和捷克查理大学的研究人员。他们是在高温条件下首次成功利用自旋状态,反常霍尔效应制成一个完成与门逻辑器件的自旋场效应晶体管(FET)。

“这项研究的主要障碍是操纵自旋时很容易破坏它,”辛诺瓦解释道,“直到最近我们才意识到,可以通过选择一个特定的装置来达到操纵自旋而不破坏它。我们还必须在检测它时不破坏它,这是利用了我们六年前对自旋霍尔效应的研究发现。我们就是结合了这些基本的物理研究而制成首个自旋场效应管。”

晶体管发明六十年后,其运作仍然是基于相同的物理原理,即在半导体中的操作和检测电荷,团队中的高级研究员,日立的约克.伍德里奇博士说,随后的技术重点是缩小器件大小直到接近最终的极限,现在到了将重心转移到用新的物理原理来克服这些极限的时候了- 特别是,利用电子“自旋”而不是电荷作为逻辑变量。

这种新方法构成了“自旋学”领域,它在低功耗电子产品,混合电-磁系统和全新的功能电子器件等领域有潜在的应用。伍德里奇说,“自旋晶体管是20年来以电操纵和探测半导体中电子自旋 的理论的基石,但是已被证明非常难以实现。我们使用了最近发现的两个操作和检测自旋的量子相对论现象,实现并确认了所有主要的自旋晶体管的现象。”

为观察到操作和检测自旋,小组专门设计了平面偏振光二极管(相对于通常使用圆偏光),放在晶体管通道旁边。通过用光照射二极管,他们将光激发电子注入晶体管通道。然后在栅极加上电压,通过量子相对论效应来控制自旋的旋转。量子相对论效应使装置获得横向电压,它取决于晶体管通道中的局部自旋方向,代表了晶体管的输出信号。

这种新器件可作为无需磁性元件操纵和探测半导体中自旋的有效工具,将在自旋电子学研究得到广泛的应用。
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