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物理学新发现:非磁性材料也能传导自旋电流

(2015-10-11 14:45:24)
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  图片来源:phys.org

  通常情况下自旋可以利用自旋赛贝克效应(SSE)在磁绝缘体中得到,而近日来自美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一项研究结果表明,SSE效应并不局限于磁绝缘体内,它还可广泛存在于很多顺磁性物质中。这一研究成果无疑是对SSE效应的巨大挑战,它改变了以往人们对自旋电子学的看法,使得研究人员可以在不使用磁性材料的情况下得到自旋电流并制备新型的高速低功耗电子器件。

  该项研究的研究人员Stephen Wu认为,自旋电流并不一定非得从磁性材料中获得,在绝缘体中同样可以得到,而这一重大发现使得研究人员可以利用电子自旋代替电荷,从而制备出高速低功耗的电子器件,这在自旋电子学领域有着非常重要的影响。在此之前科学家们普遍认为电流需要从自旋(电子的一种量子特性)中获得,而该项研究的研究结果与传统观点恰好相反。正如阿贡实验室物理科学分部的Anana Bhattacharya所说:这才是真正意义上的重要发现,在此之前没有类似这样的预测。

  事实上,直到现在科学家们都还在试图通过缩小电子器件的尺寸而加快其传输数据的速度,然而由于目前所能制备的晶体管已经达到了最小尺寸,所以现在必须使用更先进的技术来支持和推动电子技术的发展。为了推翻电流不能在绝缘体中传导的观点,其中一种方法就是将电子自旋流与电流分离,而要实现这一目标研究人员必须让电子在诸如钇铁石榴石等绝缘铁磁材料晶格中保持静止。当向这些材料施加热梯度时,自旋就开始像波在水中传播一样在晶格之间慢慢移动。

  Wu通过观察在顺磁性材料钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet,GGG)基质上的铁磁性钇铁石榴石(yttrium iron garnet,YIG)晶体,他预测,在GGG上将观测不到任何反应,因为自旋在顺磁体中并不像在铁磁体中一样排列成行,它们不会产生磁场和磁子,因此它们的自旋之间也不会互相发生反应。然而观测的最终结果却出乎所有人的预料:自旋电流在GGG中要比在YIG中还要强!Wu说道:实验中的自旋之间并没有互相发生反应,但是我们却发现了可测的自旋电流,而这些反应本是不应该出现的。

  Bhattacharya认为:虽然现在还未能揭示这些反应的物理机理,但是这无疑是一项重大的突破和发现。Wu指出:我们推翻了铁磁性的基础地位,在自旋电子元器件中,不一定非要使用铁磁体,顺磁性金属和顺磁性绝缘体也将是不错的选择。

  来源:科学之家

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