原子级半导体！下一代的自旋量子电子技术

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尽管电子器件越来越小，越来越快，但目前的晶体管只能缩小到一定程度，难以突破极限。

据报道，史蒂文斯理工学院的研究人员开发了一种新型的原子薄磁体半导体，这通过利用电子的电荷及其自旋的力量，将能够开发出以完全不同的方式工作的新型晶体管。

研究人员说，这可能提供了一种制造更小、更快的器件的方法，他们在2020年4月的《自然通讯》杂志上发表了这一发现。

自旋电子学是研究固态器件中电子的本征自旋及其相关的磁矩和电荷的学科。

由于摩尔定律，预计在不久的将来，标准电子器件将达到其“极限”。而自旋电子学提出了一种全新的电子 *** 作方式，并为标准电子器件的持续小型化提供了一种新的替代方案。

据悉，除了可以做到更小的器件，该团队的原子薄磁铁据说能够实现更快的处理速度、更高的存储容量和更少的能量消耗。

领导了这一项目的史蒂文斯机械工程EH Yang教授表示， “二维铁磁半导体材料中铁磁性和半导体特性共存，因为我们的材料可以在室温下工作，它使我们能够容易的半导体技术集成在一起。”

“在此材料中的磁场强度为0.5mT的而这样弱的磁场强度不能让我们拿起一个回形针，它是足够大的，以改变电子的自旋，其可用于量子比特应用，”加入史蒂文斯物理学教授斯特凡·斯特劳夫（Stefan Strauf）。

“这种材料的磁场强度是0.5 mT，虽然如此弱的磁场强度不能让我们吸起回形针，但它已足够强，足以改变电子的自旋，可以用于量子比特应用，” Stefan Strauf补充说。

研究人员认为，他们的发现可以为推进自旋电子学领域提供一个“关键平台”。

电子的运动对自旋电子效应的影响可能比以前假定的要大得多。这个发现是由来自马丁·路德大学Halle-Wittenberg (MLU)的物理学家领导的一个国际研究团队做出的。到目前为止，对这些效应的计算首先考虑了电子的自旋。这项研究发表在《物理评论研究》杂志上，为开发自旋电子元件提供了一种新方法。

许多技术器件是基于传统半导体电子学的。电荷电流用于在这些元件中存储和处理信息。然而，这种电流产生热量和能量损失。为了解决这个问题，自旋电子学使用了电子的一个基本性质，即自旋。“这是一种固有的角动量，可以想象成电子绕自己的轴旋转运动，”马里兰大学的物理学家安妮卡·约翰逊博士解释说。自旋与磁矩有关，除了电子的电荷，磁矩可以用于新一代快速高效的组件。

实现这一点需要电荷和自旋电流之间的有效转换。Edelstein效应使这种转换成为可能:通过施加电场，在原本非磁性材料中产生电荷电流。此外，电子自旋对齐，材料变得具有磁性。“之前关于Edelstein效应的论文主要集中在电子自旋如何有助于磁化，但电子也可以携带同样有助于磁化的轨道力矩。如果自旋是电子的固有旋转，那么轨道矩就是围绕原子核的运动，”约翰松说。这类似于地球，它既绕着自己的轴旋转，也绕着太阳旋转。和自旋一样，这个轨道力矩产生磁矩。

在这项最新的研究中，研究人员使用模拟来研究自旋电子学中常用的两种氧化物材料之间的界面。约翰松说:“虽然这两种材料都是绝缘体，但在它们的界面上存在一种金属电子气体，这种气体以其有效的电荷-自旋转换而闻名。”该团队还将轨道矩纳入了埃德尔斯坦效应的计算中，发现轨道矩对埃德尔斯坦效应的贡献至少比自旋的贡献大一个数量级。这些发现有助于提高自旋电子元件的效率。

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