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說變就變﹕電子自旋的超快調制

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Feb 01, 2003

編輯 Agape 報導

法國國家實驗室的科學家們利用短磁場脈衝﹐成功地達成將磁性材料中的電子自旋在一百億分之一秒的時間內改變方向。這個結果為使用磁性材料製成的隨機存取記憶體(RAM)﹐提供了突破性的發展。

電子的自旋﹐一直是科學家們想要研究並掌握的一個量子物理現象。其可能的應用﹐從自旋電晶體﹑量子運算或量子電腦﹑到生物醫學成像術﹐都是熱門的研究項目。此外﹐使用磁性材料作成的隨機存取記憶體(magnetic random access memory, MRAM) ﹐近年來因材料合成技術的進步﹐也逐漸地受到重視。

MRAM的操作原理﹐基本上與傳統的RAM相似。只是在傳統RAM中﹐是利用電荷的儲存與否作為資料的存取﹔而在MRAM中﹐則是以電子自旋方向有無改變﹐來代表資料的讀寫。例如﹐若定義電子自旋向上(或與外加磁場方向平行) 為含有資料﹐即位元中的” 1“﹐那麼當電子電子自旋受外加磁場影響而變成向下時﹐即代表資料被消去﹐所讀到的位元是“0”。

這個原理﹐看似簡單(目前的硬碟即是根據類似的原理而製成) ﹐但是要達到RAM的使用標準﹐還有一項最重要的要求﹕自旋改變的速度要夠快。事實上﹐要在極短的時間內改變電子的自旋方向﹐可沒有那麼容易。原來﹐當電子自旋受到外加磁場影響時﹐它必須經過徑動(precession) 的過程﹐才能達成方向的改變。而正是這個precession的過程﹐使得自旋的反應速率受到限制。而在法國國家實驗室的H. W. Schumacher與其研究小組﹐針對這個問題﹐使用了新的方法﹐達成能在極短的時間內完成電子子旋的改變。

Schumacher等人﹐首先製造了一個由Ta/NiFe/MnIr/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/Ta等磁性與非磁性材料組成的自旋開關(spin valve)結構。然後藉著將電流脈衝注入在元件表面的波導線﹐在元件中產生磁場脈衝來達成改變自旋方向的目的。而電子自旋的改變與否與速率﹐則由測量元件的磁組變化來決定。在他們的實驗中﹐他們採用了不同時間長短及強度的脈衝磁場﹐來觀察其元件的反應。

這個實驗與眾不同的地方﹐在於施加磁場脈衝的方式。如前面所述﹐自旋的改變會受precession的影響。根據Schumacher等人的計算﹐當自旋受磁場脈衝而產生precession時﹐由於元件結構的關係﹐會有一個逆磁場產生。徑動中的自旋受到這個逆磁場的影響﹐會加速改變其方向。他們在實驗中﹐便一邊逐漸施加磁場﹐一邊觀察何時自旋方向的改變能達到180度。他們發現﹐使用強度為195高斯﹑140ps的脈衝﹐可以有效並重複地達成電子自旋的改變。並且﹐自旋的改變速率﹐能夠跟得上外加磁場的頻率。此外﹐他們也發現﹐使用長短為165ps﹑配合強度僅81高斯的脈衝﹐就可有效地達成上述的結果。而165ps的反應時間﹐更是接近理論所預測自旋反應時間的極限。

Schumacher與其研究小組的研究結果﹐突破了技術上的限制﹐不僅達成了在極短的時間內改變電子自旋的目標﹐也為研究電子自旋應用的科學家們﹐提供了一個新的實驗方向。

原始論文:

Swifter Switching, Physical Review Focus, January 17 (2003)

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Feb 28, 2006] 電子速度測量儀
  • [Aug 10, 2002] 自旋電子電晶體
  • [May 28, 2001] 自旋電子學的新進展

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