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电子学的新变化:研究发现了自旋电子学领域的奇迹材料

由犹他大学领导的团队发现,一类称为有机 - 无机杂化钙钛矿的“奇迹材料”可能会成为未来自旋电子设备的改变者。

自旋电子学使用电子自旋的方向 - 向上或向下 - 以1和0的方式传递信息。自旋电子设备可以处理比使用电流的波动和电流产生数字指令的传统电子设备多得多的数据。但物理学家一直在努力使自旋电子设备成为现实。

电子学的新变化:研究发现了自旋电子学领域的奇迹材料

今天在线发表在“ 自然 - 物理学”杂志上的这项新研究首次证明,有机 - 无机杂化钙钛矿是一种很有前景的自旋物质材料。研究人员发现,钙钛矿具有使自旋电子器件工作所必需的两个相互矛盾的特性 - 电子的旋转可以很容易地控制,并且还可以保持旋转方向足够长的时间以传输信息,这一属性称为自旋寿命。

“这是人们一直想做的设备,但是找到一种可以操作的材料并且同时具有很长的旋转寿命会遇到很大的挑战,”物理系助理教授Sarah Li说。 U的天文学和该研究的主要作者。“但对于这种材料来说,材料本身的属性可以满足这两种要求。”

奇迹材料

有机 - 无机杂化钙钛矿在科学界因其在将太阳光转化为电能方面具有惊人的效率而闻名。

“这是令人难以置信的。奇迹材料,”物理与天文学系的杰出教授,该研究的共同作者Z. Valy Vardeny说,他的实验室研究钙钛矿太阳能电池。“在短短几年内,基于这种材料的太阳能电池的效率达到22%%。现在它具有这种旋转寿命特性。这太棒了。”

然而,材料的化学成分不太可能成为自旋电子学的候选者。混合钙钛矿无机框架由重元素制成。原子越重,操纵电子自旋就越容易。这对自旋电子学有好处。但其他力量也会影响旋转。李说,当原子很重时,你认为自旋寿命很短。

“该领域的大多数人都不会认为这种材料的旋转寿命很长。我们也很惊讶,”李说。“我们还没有找到确切的原因。但它可能是材料本身的一些固有的,神奇的属性。”

自旋电子学:那个时刻......

手机,电脑和其他电子产品都有硅晶体管,可控制微小水坝等电流的流动。随着器件变得更紧凑,晶体管必须在越来越小的区域内处理电流。

“仅基于电子电荷的硅技术正在达到其尺寸限制,”Li说,“电线的尺寸已经很小。如果变得更小,它就不会以你认为的经典方式工作的。”

“人们在想,'我们如何在如此小的范围内增加信息量?'”Vardeny补充道。“我们怎么做才能克服这个限制?”

“自旋电子学”回答物理学。

自旋电子学使用电子自身的自旋来传递信息。电子基本上是微小的磁铁,围绕着元素的核心。就像地球相对于太阳有自己的方向一样,电子有相对于核的自身旋转方向,可以在两个方向上对齐:“向上”,表示一个,“向下”,表示零。物理学家将电子的“磁矩”与其旋转联系起来。

通过向传统电子设备添加旋转功能,您可以处理指数级更多的信息,而不是基于较少或更多的费用经典地使用它们。

“使用自旋电子学,不仅可以获得更多的信息,而且还不受晶体管尺寸的限制。尺寸的限制将是您可以检测到的磁矩的大小,这远小于如今的晶体管,“瓦尔德尼说。

调整电子自旋的实验

调整电子旋转就像调整吉他,但使用激光和大量镜子。

首先,研究人员用混合钙钛矿甲基铵铅碘(CH3NH3PbI3)形成一层薄膜,并将其置于超快激光器前,每秒发射非常短的光脉冲8000万次。研究人员首先使用光来设定电子的自旋方向并观察这种材料中的自旋进动。

他们将激光分成两束; 第一个击中胶片,使电子旋转在所需的方向。在以增加的时间间隔撞击钙钛矿膜之前,第二束弯曲通过一系列镜子,如弹球机,以测量电子在准备好的方向上保持旋转的时间。

他们发现钙钛矿具有令人惊讶的长旋转寿命 - 高达纳秒。旋转在一纳秒内翻转很多次,这意味着在此期间可以轻松存储和操纵大量信息。

一旦他们确定了长旋转寿命,研究人员就测试了他们用磁场操纵旋转的能力。

“旋转就像指南针。罗盘在垂直于指南针的磁场中旋转,最终它将停止旋转,”李说。“假设你把旋转设置为'up',你称之为'one'。当你将它暴露在磁场中时,旋转会改变方向。如果旋转180度,它会从1变为零。如果它旋转360度,它会从1变为1。

他们发现,通过将电子暴露在不同的磁场强度下,它们可以旋转超过10圈。

Vardeny说,这种材料的潜力是巨大的。它可以更快地处理数据并增加随​​机存取存储器。

“我告诉你,这是一种奇迹材料,”瓦尔德尼说。