自旋電子學(xué)可能不是日常討論中出現的那種詞，但多年來(lái)它一直在徹底改變計算機技術(shù)。它是物理學(xué)的一個(gè)分支，涉及操縱電子流的旋轉，這種電子流在20世紀90年代末以磁性計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器的形式首次傳遞給消費者，其存儲容量是其前輩的數百倍。
這些和其他電子設備已被改進(jìn)，使計算機再次變得更強大，更不用說(shuō)更酷，更節能 - 從MP3播放器到今天的智能手機。英特爾和谷歌去年開(kāi)始推出量子處理器，幾個(gè)月前三星和Everspin推出了MRAM(磁性隨機存取存儲器)芯片。預計這項新技術(shù)將大大提高計算性能 - 例如，一項估計，電力需求的潛在降低可能超過(guò)99%。
即便如此，所有這些進(jìn)步都在一個(gè)主要限制下進(jìn)行：旋轉操作僅限于單個(gè)超薄磁性材料層。這些層中的幾十層通常以“夾層”結構堆疊，其通過(guò)復雜的界面和互連相互作用，但它們的功能本質(zhì)上基本上是2D的。
像斯圖爾特帕金這樣的行業(yè)領(lǐng)導者，創(chuàng )造了IBM最初的自旋電子驅動(dòng)的計算機硬盤(pán)，Deskstar 16GP Titan，多年來(lái)一直在說(shuō)磁性計算的最大挑戰之一就是轉向更靈活，更強大的3D版本。
這將看到在三維磁性層堆疊的任何點(diǎn)上傳輸，存儲和處理的信息。最近的開(kāi)拓進(jìn)展也開(kāi)始把這一轉變更接近，但我們仍面臨巨大挑戰，以達到相同程度的控制，因為我們有兩個(gè)維度。
在由格拉斯哥大學(xué)和劍橋大學(xué)領(lǐng)導的新論文中，我們與漢堡大學(xué)，埃因霍溫技術(shù)大學(xué)和阿爾托大學(xué)理學(xué)院的研究人員合作，為實(shí)現這一目標邁出了重要的一步。
旋轉和收費
傳統電子學(xué)基于電子具有電荷的事實(shí)。在基本計算機中，芯片和其他單元通過(guò)發(fā)送和接收微小電脈沖來(lái)傳輸信息。它們?yōu)槊}沖注冊“一”，對無(wú)脈沖注冊“零”，并且通過(guò)對這些重復進(jìn)行計數，它成為指令語(yǔ)言的基礎。
傳統的磁性硬盤(pán)驅動(dòng)器也依賴(lài)于與電荷相關(guān)的特性，但它們的工作原理不同，扁平磁盤(pán)的非常小的區域通過(guò)其兩個(gè)可能的磁性方向記錄零和一個(gè)。磁力驅動(dòng)器具有很大的好處，即使電源關(guān)閉時(shí)數據仍然存在，盡管信息的記錄和檢索速度比使用我們在計算機電路中找到的晶體管要慢得多。
自旋電子學(xué)是不同的：它利用電子的電荷和內在磁性 - 也稱(chēng)為自旋。自旋和電荷之間的差異有時(shí)被比作地球圍繞太陽(yáng)運行的方式，但同時(shí)也在其軸上旋轉。但是，雖然電子總是帶負電，但它們可以“向上”或“向下”旋轉。
它被發(fā)現在80年代后期，如果電流是通過(guò)由夾在兩個(gè)磁性層之間的非磁性片形成的設備進(jìn)行的，該器件的電阻的電子流將顯著(zhù)取決于磁體的內方位改變兩張磁片。
這種效應在硬盤(pán)驅動(dòng)器中很容易被利用，這些自旋電子系統作為非常敏感的傳感器，可以在同一區域內讀取比以前的硬盤(pán)驅動(dòng)器更多的零和磁信息 - 從而改變存儲容量。這被稱(chēng)為巨磁阻，后來(lái)為Albert Fert和Peter Grunberg 取得了諾貝爾物理學(xué)獎，這兩位科學(xué)家同時(shí)發(fā)現了它。
手性自旋電子學(xué)
自從自旋電子學(xué)誕生以來(lái)，已經(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展，包括最近在一個(gè)名為手性自旋電子學(xué)的領(lǐng)域中令人興奮的一些。雖然我們通常認為兩個(gè)磁鐵具有“北”和“南”，它們沿180º線(xiàn)朝向或遠離彼此旋轉 - 例如在該視頻的末端觀(guān)察指南針- 在特定條件下，微小的磁鐵在原子水平也呈現手性自旋相互作用。這意味著(zhù)相鄰磁體傾向于以90°的角度定向。
這些相互作用的存在是創(chuàng )建和操縱稱(chēng)為磁性skyrmions的偽粒子的關(guān)鍵因素，其具有拓撲特性，使其能夠更有效地執行計算應用，具有進(jìn)一步改善數據存儲的巨大潛力。
然而，到目前為止，僅在2D自旋電子學(xué)中觀(guān)察和利用了手性自旋相互作用。在我們的新論文中，我們首次表明，這種相互作用也可以在位于由超薄非磁性金屬層隔開(kāi)的兩個(gè)相鄰磁性層的磁體之間產(chǎn)生。
為此，我們使用一種稱(chēng)為濺射的技術(shù)創(chuàng )建了一個(gè)總共八層的器件來(lái)沉積納米級薄膜。我們必須仔細調整層的界面以平衡其他磁相互作用，我們使用激光研究了室溫下磁場(chǎng)下系統的行為。我們的漢堡大學(xué)合作者通過(guò)互補磁模擬確認了設備的行為方式。
這一發(fā)現為開(kāi)發(fā)進(jìn)一步的3D自旋電子效應開(kāi)辟了新的激動(dòng)人心的路線(xiàn)，手性自旋相互作用發(fā)揮了關(guān)鍵作用，創(chuàng )造了更緊湊，更有效的方式來(lái)存儲和移動(dòng)整個(gè)3D空間的磁數據。未來(lái)的工作將集中在尋找增加這種相互作用強度的方法，并擴大影響存在的設備范圍。我們希望我們的工作能夠引起自旋電子界的極大興趣，并促使行業(yè)繼續致力于基于這些全新概念的磁性計算設備。
自旋電子學(xué)在計算市場(chǎng)上的第一次影響非?？?- 從發(fā)現巨磁阻到1997年推出IBM的Deskstar 16GP Titan僅用了8年時(shí)間.3D的飛躍仍然需要克服多重障礙，從精確制造在非常規計算架構中利用磁交互的必要設備。我們最近的發(fā)現使我們更接近實(shí)現這個(gè)非常具有挑戰性但令人興奮的目標。對話(huà)