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自旋電子學的新突破-自旋電流開關

關鍵字：自旋電子開關；電晶體；奈米電子
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科技產業資訊室 (iKnow) - 黃松勳 發表於 2018年6月14日
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圖、自旋電子學的新突破-自旋電流開關
 
自旋電子學是奈米級電子學的一個新興領域，它不僅使用電子的電荷，還利用了電子的自旋。此技術不需要專門的半導體材料，因此可降低製造成本，其優勢更包含低能源需求，以及低耗能與具有競爭力的數據傳輸和儲存容量，且已應用於各種資訊處理、記憶和儲存裝置上，如:超高密度硬碟和非揮發性記憶體。
 
雖然偵測和產生自旋電流的技術已經建立了一段時間，但在自旋電子學卻缺少了自旋電流的開關，這相當於一般電子裝置中來控制電流禁止和流通的電晶體。
 
在Nature Materials期刊上報導，日本東北大學的研究人員利用釔鐵石榴石(YIG)和鉑(Pt)之間夾著Cr2O3的三層材料結構，開發出能夠控制電子自旋電流的開關(自旋龐磁阻，SCMR)，如同電晶體一樣，可以控制電流。材料本身具有自旋電流偵測，如:反自旋霍爾效應(ISHE)。利用ISHE，將微波(spin pumping)和熱(spin Seebeck effect)等不同形式之能量所產生的自旋電流轉換成材料中的電壓。YIG鐵氧電絕緣體因應了RF微波或溫度梯度而產生自旋電流，Pt(順磁性金屬)透過ISHE產生電壓來檢測自旋電流。在YIG/Pt材料之間放置Cr2O3，Pt端的電壓訊號反映了Cr2O3層可以傳輸多少自旋電流。研究人員因此可觀測到電壓隨著溫度與外加磁場的變化。
 
當溫度往低溫跨過300K時，電壓信號會大幅下降，此時 Cr2O3 從順磁轉變為反鐵磁 (Neel溫度點)。在外加磁場的情況下，自旋電流傳輸的變化增加了近500％。這種行為表示著層狀結構的運作，可透過 Cr2O3 的 Neel溫度點或外加磁場作為自旋電流的開關。
 
自旋電流開關的重大突破使得自旋電子學可以應用於資訊處理、記憶和儲存的裝置上，產生了革命性的影響，也可能將自旋電子學帶往新的方向。(629字；圖1)
 

參考資料：
Switched on: A breakthrough for spintronics. Science Daily，2018/5/29
Spin colossal magnetoresistance in an antiferromagnetic insulator. Nature Materials，2018/5/28

 
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