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探索自旋晶体管
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The Quest for the Spin Transistor
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■Glenn Zorpette
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微电子研究人员研究自旋至少已有20年历史了。事实上，他们的发现已经为硬盘驱动器带来了革命，从1998年起硬盘已经采用基于自旋的机制来实现更大的容量。在未来三年里，Motorola公司和IBM公司有望再进一步，推出第一款利用自旋特性的商用半导体芯片，一种称为M（意指磁性）RAM的新型随机存储器。MRAM速度快且是非易失性的，有望在美国每年106亿美元的闪存市场上占有相当的份额。如果工程师们可将成本降到足够低，MRAM甚至最终会侵入到每年350亿美元的RAM市场。
自旋方面的权威人士称存储器应用仅仅是自旋技术应用的开始。他们已将目标瞄准逻辑应用，这主要是受到过去两三年中获得的实验结果的鼓舞，实验显示这一自旋新技术与现有基于电荷机制的半导体电子学器件的制造材料和方法有非常好的兼容性。2000年2月份，美国国防部高级研究项目机构宣布了一项持续五年，每年投入1500万美元的计划，致力于推进各种利用自旋的半导体材料和器件的研究。
亚原子世界的奇特性质
目前自旋研究的支持者们预见了一种全新的电子学形式，称为自旋电子学。自旋电子学器件将利用电子的自旋来控制电荷的移动。再进一步，研究人员甚至可成功地制造出利用自旋本身（而不需要进行电荷的移动）来存储和处理数据的器件。自旋电子学比传统电子学设备消耗更少的能源，因为改变自旋所需要的能量仅是推动电荷移动所需要能量的很小一部分。
自旋电子学的另一个优点是其非挥发性：当电源关闭后，自旋不会变化。自旋的特定性能以及描述它的量子理论还指出自旋所具有的其它神奇的可能性，如每秒可变化10亿次的逻辑门功能（与、或、非等等）；可直接利用偏振光或电压信号进行工作的自旋电子学器件；可同时处于两种不同状态的存储器单元。加利福尼亚州立大学领导自旋电子学和量子计算中心的David
D. Awschalom说："自旋提供了完全不同的功能。最令人激动的可能是那些我们还没有想到的。"
神秘的量子机制
自旋的奇特之处在于它直接涉及到做为现代物理学基础的量子理论的核心。于20世纪初发展起来的量子理论是非常精密的理论，其基本概念是在亚原子水平上，能量的交换必须以一定的最小量为单位，即是量子化的。
狄拉克于1920年代晚期预见了自旋的存在。在其获得诺贝尔奖的工作中，他统一了量子理论的能量和动量方程和爱因斯坦的狭义相对论。
自旋比较难于理解，这是因为在我们熟悉的宏观世界里缺少一个准确的对照物。其名字是按照宏观世界与之最接近的概念--旋转物体的角动量命名的。但通常的行星角动量，或旋转的球体，在停止运动后，角动量也消失了，因此是外在的。但自旋是一种粒子无法获得或失去的内在角动量。
事实上，角动量和自旋之间的类比不能走得再远了。粒子自旋并不是由于粒子的旋转，而电子也没有物理的维度，如半径。因此在经典的意义上说电子具有角动量严格来说是没有意义的。
最小的磁体
幸运的是，为了理解新近的进展，并不需要深入地了解自旋的特性。这时，通常用来使人们理解量子世界意义的不完善的类比还是很有用的，至少在自旋在磁性机制产生方面的作用而言是如此。
首先我们了解这样的事实，自旋使电子成为一个微小的磁体，具有南极和北极。小磁体南北极轴的朝向依赖于粒子的自旋轴。在普通物质的原子中，一些自旋轴指向"上"（相对于周围磁场而言）而同样数量的自旋指向"下"。粒子的自旋与磁矩相关，这可以想象为偏转电子自旋轴的方向柄。因此在普通物质中，向上的磁矩抵消了向下的，因此不能产生宏观磁性。
为了得到宏观磁性，需要铁磁材料，如铁，镍或钴。这些材料具有很多小的称为磁畴的区域，其中的电子自旋指向上或指向下的更多一些（至少在温度处于居里温度以下，热效应破坏磁性机制以前是这样）。通常这些磁畴是随机指向的，并且总自旋向上或向下的数量一样多。但适加的外部磁场可打破磁畴间的界限，使所有的磁畴沿着磁场的方向排列，即它们都指向同一方向。结果就形成永久磁体。
铁电材料是许多自旋电子器件的核心。利用电压差驱动电子流通过铁电材料，其中铁电材料起到自旋极化器的作用，将通过其中的电子自旋轴对齐，使它们都指向一个方向（上或下）。最基本和最重要的自旋电子器件之一是磁隧道结，其构造为两层铁电材料，中间用极薄的非导体层隔开（参见图）。该器件是由法国物理学家M.
Julli re于1970年代中期展示的。
相对论晶体管
研究人员现在特别热衷探索的是类似传统晶体管（甚至可以产生增益）的基于自旋的器件。这方面的研究有几种不同的思路。最先提出的一种称为自旋场效应晶体管（FET）。最近的一种方法则将自旋与物理学家几十年来一起追求的一种器件--共振隧道晶体管，联系在一起。
1990年 Supriyo Datta 和 Biswajit A. Das（后来两人同时到了Purdue大学）在一篇后来发表于Applied
Physics Letters杂志上的文章中提出了自旋FET的概念。两人建议的自旋FET器件，源极和漏极都是铁电材料，其中的电子自旋相同。可将电子注入源极，注入电子的自旋轴会取与源极和漏极同样的方向。这些自旋极化的电子将从源极以光速1%左右的速度贯穿到漏极。
这一速度很重要，因为以相对论速度移动的电子受某些效应的影响。其中一种效应是施加的电场看起来会象是一个磁场。因此施加在栅极上的电压会改变从源极向漏极移动的自旋极化的电子的自旋，从而使其自旋方面反转。因此电子的自旋会变得与漏极中的方向相反，从而使其不那么容易穿透到漏极。这样从源极进入漏极的电流会大大减小。
然而，在Datta和Das的文章发表11年之后，仍然没有人制造出可工作的自旋FET。
最近在德国柏林进行的工作可能会改变所有这些。去年7月Paul Drude大学的Klaus H. Ploog 及其同事研制的结果表明，他们采用一层在砷化镓上生长的铁薄膜来使注入GaAs的电子自旋实现极化。这一实验是在室温下进行的，其注入速度为2%，这一速度比同类实验要高。
NRL的Johnson说，这一工作"非常重要,它将为这一领域带来革命。从现
在起一年多以后，许多自旋FET研究人员都会利用铁来进行研究。"
另一类自旋晶体管制造方法则使用了称为共振隧穿的量子现象。利用此现象的器件将是共振隧穿二极管的扩展。此类器件的核心是一个极小的称为量子阱的区域，其中电子被限制于内。然后，在与量子阱能量相应的特定共振电压下，电子可以穿出封闭量子阱的势垒，术语称之?quot;隧穿"。
通常，电子的自旋状态与隧道效应无关，因为自旋向上和向下的电子具有同样的能量。但采用不同的方法，研究人员可以设计出这样的器件，其中自旋向上和自旋向下的电子能级是不同的，因此存在两种不同的隧穿途径。这两种隧道可通过不同的电压控制；每种电压对应一种自旋状态。在一种电压下，可由自旋向下的电子产生一定的电流。在另一其它电压下，可由自旋向上的电子穿透量子阱的势垒产生一定的电流。
分开能级的一种方法是在量子阱的两边势垒中采用不同的材料，从而使得将电子限制在量子阱中的两端势垒能量在量子阱的两端不同。这一束缚势垒的差异对于移动中的电子来说可看成量子阱内存在两个区域，互相具有不同的磁场。这一非对称的磁场使得自旋向上和向下的状态具有不同的共振能级。
另一种分开能级的方法是简单地将器件置于磁场中。这一方法被由纽约Buffalo大学的研究小组所采用。
两个小组都还没有制造出可工作的器件，但此类器件的前景使得研究兴趣仍然很高。
希望之光
在这些研究人员进行上述器件研究的同时，他们还注意到另外一些科学家提出了全新一类实验器件。这一新兴的研究方法中采用的器件可以在半导体材料中建立或探测自旋极化的电子束，而不是采用铁电金属材料。在这些实验中，研究人员利用激光来克服将极化自旋的电子注入半导体中的困难。通过利用极化的激光光束照射普通的半导体材料，如砷化镓和硒化锌，他们得到了自旋极化的电子簇。
一些观察家认为依靠激光束非常不利。他们认为很难想象此类器件如何微型化到能够与目前的传统电子器件可比的程度，更不用说与传统电子器件在同一集成电路上协调工作了。而且，在某些半导体中，如GaAs，自旋极化只能在低温下持续存在。
在过去三年中，一系列突破性发现使这一领域成为一个活跃的学科。在Awschalom领导的实验室中取得了几项重要结果。他和其同事展示了自旋极化的电子簇保持他们极化的时间比预期的要长很多，可达到几百纳秒。Awschalom、Oestreich以及其它研究人员独立地制造出来自旋极化的电子簇，并在不失去电子极化的情况下使电子跨越半导体边界进行移动。
如果做不到这些，自旋在电子学方面根本没有发展潜力。请注意，实用的器件是通过改变自旋的方面进行工作的。这意味着自旋相干持续的时间至少要比改变自旋极化所需要的时间要长一些。而且，就象传统的电子器件一样，自旋电子器件，必须采用多层半导体材料制造，因此在不失去相干性的情况下，使自旋极化的电子簇通过半导体结就至关重要。
令人迷惑的进动 正如以前，Awschalom进行的实验中电子簇不仅自旋极化了，而且还显示出进动。进动发生在自旋极化的电子簇被置于一个磁场中时：磁场导致它们的自旋轴绕着磁场的方向旋转进动。旋转的频率和方面与磁场的强度以及进动发生时所处的材料性质有关。
这一合作小组利用圆极化光脉冲在GaAs中制造自旋相干的电子簇。然后施加磁场使电子进动，然后利用一个电压将进动的电子拉过半导体结，使其进入另一种半导体材料ZnSe中。研究人员发现，如果他们采用较低的电压将电子拉到ZnSe中，电子会在越过结后迅速具有ZnSe中的进动特征。然而，如果他们采用较高的电压将电子拉过结，电子就会保持其进动状态，就象仍然在GaAs中一样（见图2）。
"根据采用的电场不同，你可调节电流的行为。"Awschalom在一次采访中说，"这也使我们感到非常奇怪。"该小组在6月14日那期的Nature杂志上报告了其结果，等待全世界的理论学者解释这一现象。
这一合作中得到的其它结果更令人迷惑。研究人员进行了类似的实验，采用的是p型GaAs和n型ZnSe。N型材料依靠电子导电，而P型依靠空穴。由于采用两种不同的载流子类型的材料，在结附近存在一个电场。而且，这一电场已经足够强，以致可迅速将GaAs中的自旋相干电子簇拉到ZnSe中，并且其自旋相干性可保持数百纳秒。
这一结果在两个方面都令人鼓舞。正如Awschalom所说，"这表明您可制造由n型和p型材料构成的结器件，而自旋可顺利地通过两者的界面。"同样重要的是，试验表明，自旋可在不需要外加电场的情况下从一种半导体材料进入另一种半导体，这在商业器件中是不可能的。
此类器件至少还要数年才会出现。但即使是研究人员能够获得可在实验室条件下工作的自旋晶体管，仍然需要更大的突破才能使器件进入实用阶段。例如，器件需要圆极化的激光脉冲使其看起来不很方便实现，尽管Awschalom认为是有利的。他认为关键是光子将用于芯片间的通信，磁性单元用作存储器，而基于自旋的器件用来完成快速低功耗的逻辑功能。
这一切离现在都还太远，但这并不比在三极真空管占领导地位的日子里想象1GB DRAM来得更远。
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