Only Perception: 自旋時代：奈米研究可導致次世代電晶體

2009-10-23

自旋時代：奈米研究可導致次世代電晶體

The Spin Cycle: Nanoresearch could lead to next generation of transistors
http://www.physorg.com/news175283352.html

By Emily Hubbell, October 20th, 2009

(PhysOrg.com) -- 數十年來，無線電、電視與其他日常物品中的電晶體都藉由控制電子電荷的移動來傳輸資料。科學家現在發現，如果電晶體利用電子的另一種特性：自旋（spin），它們就能使用更少的能量、產生較少的熱並以更高的速度運作。

在 1921 年，科學家發現每個電子都有自旋 -- 一種固有的角動量使得電子猶如繞著某個軸般快速轉動。自此之後，世界各地以及 Ohio 大學的研究者都在開發將資料與電子自旋結合的電子裝置。自旋電子學（spin electronics 或 spintronics）這個新興領域能徹底改革記憶儲存裝置與量子電腦。

到目前為止，科學家開發中的自旋電子裝置，透過直接在裝置上附加一外部磁鐵得到受控制的自旋。不過，隨著更小電晶體的需求逐漸增加，使用龐大笨重的磁鐵並非操縱電子自旋方向的有效或實用方法，Sergio Ulloa 表示，Ohio 大學物理與天文學教授。

"自旋電子學中的聖杯是以磁鐵之外的東西對付自旋，" Ulloa 說。"電場可攜，而且很容易開啟或關閉。"

Ulloa 與畢業生 Anh Tuan Ngo 為最近一項實驗（那是第一個全然利用電場成功地控制電子的自旋。）提供理論模型來幫忙解決這個問題。這些發現發表在 Nature Nanotechnology 期刊上。

該團隊與 Cincinnati 大學一個由 Philippe Debray 與 Marc Cahay 所領導研究小組合作。Debray 構思並設計出這個實驗。Ohio 大學研究者的計算解釋電子在 Debray 實驗條件中的行為，並預測電場對於自旋的控制會有多強。

他們的研究也揭露其中一項關鍵的實驗條件 -- 電子在裝置中沿著行進的微小連結必須是不對稱的（asymmetrical）。

"想像你正走過一座森林，你的左、右二側都有山。如果一邊的山較高，你將能夠判斷該走哪個方向，" Ulloa 說。"電子將知道這裡不對稱，而它的自旋將能夠辨別哪條路向上（which way is up，或哪條路是正確的）。"

透過電子方式控制自旋對於未來的新裝置，例如電晶體，有著重大的影響，不過這項實驗僅是第一步，Ulloa 說。下一步將是重做實驗，使得它能在更高、或更實用的溫度下（不需要使用液態氦）完成。

※ 相關報導：

＊ All-electric quantum point contact spin-polarizer
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.240

P. Debray, S. M. S. Rahman, J. Wan, R. S. Newrock, M. Cahay,
A. T. Ngo, S. E. Ulloa, S. T. Herbert, M. Muhammad &
M. Johnson
Nature Nanotechnology Published online: 6 September 2009
doi: 10.1038/nnano.2009.240

...Recently, it has been shown theoretically that the confining potential of a small current-carrying wire with high intrinsic spin–orbit coupling leads to the accumulation of opposite spins at opposite edges of the wire, though not to a spin-polarized current. Here, we present experimental evidence that a quantum point contact -- a short wire -- made from a semiconductor with high intrinsic spin–orbit coupling can generate a completely spin-polarized current when its lateral confinement is made highly asymmetric. By avoiding the use of ferromagnetic contacts or external magnetic fields, such quantum point contacts may make feasible the development of a variety of semiconductor spintronic devices.