万亿分之一秒！超快自旋电子学，诱人的前景！
自从20世纪60年代以来，电子技术通过微处理器技术的不断改进而不断进步。然而，由于物理定律的限制，这一改进过程预计在不久的将来会停滞不前。其中一些瓶颈已经开始发挥作用。例如处理器的时钟速度在过去20年里没有超过几吉赫兹，或几次每秒的运算，这是由于硅的电阻造成的限制，这导致全球日益迫切地寻找半导体电子产品的更优替代品。自旋电子学是最主要的候选者之一，它基于通过电子自旋携带信息的思想。利用自旋电流传递信息是一个令人兴奋的前景，因为它比普通电流的能量消耗要低，但是还有许多实际困难需要克服。
博科园-科学科普：最严重的问题之一是自旋注入问题，即将自旋电流从一种材料转移到另一种材料(例如，从磁性金属转移到半导体)，这往往会打乱自旋，破坏它们所携带的信息。目前来自南洋理工大学、新加坡国立大学、新加坡科学技术研究局(a *STAR)以及美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组科学家在自旋电子学速度和效率方面取得了突破性进展。他们已经证明，一种超短的自旋电流脉冲，持续时间不到1皮秒(万亿分之一秒)，可以从金属中以惊人的效率注入到半导体中，打破之前自旋注入记录10000多次。
自旋注入实验的图解，图片：J. C. W. Song and Y. D. Chong
这些发现在最近发表在主要科学期刊《自然物理》和《先进材料》上。在这些实验中，将激光脉冲照射在磁性金属钴上产生超短的自旋电流脉冲。这就产生了一群具有自旋极化的激发态电子，这意味着自旋大部分指向相同的方向，自旋携带的电子向外运动，扩散到其他邻近的材料中。南洋理工大学助理教授、该研究小组成员马可•巴蒂亚托(Marco Battiato)表示：我们希望证明，这些超短的自旋电流脉冲可以用于高效的自旋注入，自旋电流脉冲的向外扩散发生在几百飞秒以上(一飞秒是千分之一皮秒)。这比传统的电子设备快1000倍，这使得它对未来的高速自旋电子设备非常有用。
自旋扩散的极速虽然令人兴奋，但也使利用当今电子技术进行实验研究这一现象变得困难。在南大负责该项目的实验部分的副教授Elbert Chia说：我们必须设计出一种谨慎的策略来测量流入器件半导体部分的自旋电流，为了实现这一目标，使用了一种含有重元素的半导体，它能将自旋电流转换成超短波电流。然后整个样本变成一个电磁天线，以太赫兹频率(介于微波和红外光之间)发射辐射。可以测量辐射，然后反向计算出原始的自旋电流通过仔细选择自旋电子器件中的材料，研究小组能够得出结论，向半导体中注入了自旋极化电流。令人惊讶的是，这个自旋电流的强度竟然比之前的记录大一万倍以上。
在真实的设备中，不需要如此强的自旋电流，因此人们可以避开相当弱的激励，在后续的实验中，研究人员已经能够确定自旋电流形成和衰减的时间。理论物理学家和国家研究基金会研究员(NRFF)，南洋大学助理教授Justin Song说：最引人注目的可能是，所有这些都是用一个简单的金属-半导体界面来演示，没有其他自旋电子学实验中看到的复杂和昂贵的结构工程，样品由新加坡国立大学杨贤秀副教授课题组制作。南洋大学助理教授Battiato说：这些结果代表了基于自旋电流超扩散的超快自旋电子学发展的一个基本步骤，在未来该团队设想这种高效的自旋注入过程将成为高速自旋电子计算机背后的关键技术之一。
博科园-科学科普｜研究/来自：南洋理工大学物理与数学科学学院
参考期刊文献: Nature Physics》,《Advanced Materials》
DOI: 10.1038/s41567-018-0406-3
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自旋电子器件在信息产业发展潜力巨大 研究重要性突出
自旋电子器件在信息产业发展潜力巨大 研究重要性突出
电荷与自旋是电子的两个关键属性，20世纪，电荷得到充分开发，而自旋并未受到足够重视。自旋是电子的量子物理特性，将自旋引入到半导体器件中，以电子电荷和自旋共同作为信息载体，这一种新型器件即为自旋电子器件。自旋电子器件具有高速度、高集成度、低功耗的优点。
20世纪，利用电荷，二极管、超大规模集成电路被研发问世，人类社会进入信息化时代。随着技术不断进步，存储器的性能开发不断提高，在后摩尔时代下，其功能开发已接近极限，难以再有较大提升空间。而全球大数据、云计算、人工智能、物联网等产业发展极为迅速，对存储器性能要求持续攀升。利用自旋电子器件制造而成的存储器读写速度远高于现有存储器，且掉电不易失，产生热量少，功耗极低，因此受到关注。
根据新思界产业研究中心发布的
在全球范围内，进行自旋电子器件相关研究的高校与科研机构不断增多，在国外主要有美国麻省理工学院、美国加利福尼亚大学、美国得克萨斯大学、德国雷根斯堡大学、荷兰格罗宁根大学、新加坡国立大学、日本东京工业大学等，在国内主要有北京航空航天大学、中国科学技术大学、西安交通大学、中科院宁波材料所、中科院物理研究所等。
新思界行业分析 人士表示，我国政府对自旋电子器件行业的发展也极为重视，在“十四五”国家重点研发计划中，为突破传统电荷型存储器的能效和可靠性瓶颈、满足向未来信息技术对超低功耗逻辑器件的需求，在“新型显示与战略性电子材料”与“纳米前沿”两个重点专项中，分别将新型自旋电子材料与高性能存内计算器件研制、超低功耗场控自旋电子器件纳入，从政策层面推动我国自旋电子器件技术提升速度加快。
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