制造大容量高密度自旋电子记忆装置，甚至模拟生物神经系统的神经形态装置。资料来源:东京理科大学

 

科学家开发了一种节能策略，在室温下可逆地改变磁铁矿的“自旋方向”或磁化方向。天富登录测速

 

在过去的几十年里，传统的电子技术在计算和信息技术方面已经迅速达到了其技术极限，这要求创新的设备不仅仅是操纵电子电流。在这方面，自旋电子学(研究利用电子的“自旋”来实现功能的器件)是应用物理学中最热门的领域之一。但是，测量、改变，以及一般来说，使用这种基本的量子性质是不容易的。

 

目前的自旋电子器件——例如，磁性隧道结——受到诸如高功率消耗、低操作温度和材料选择方面的严重限制。为此，日本东京科学大学和国家材料科学研究所(NIMS)的一组科学家在ACS Nano上发表了一项研究，他们提出了一种令人惊讶的简单而有效的策略来操纵典型铁磁材料——磁铁矿(Fe3O4)的磁化角。

 

 

氧化还原晶体管

 

图1所示。外加电压后，锂离子通过还原氧化晶体管到达底部磁铁矿膜，改变其载流子浓度和Fe自旋方向。资料来源:东京都科学大学通口彻

 

团队编造了一个所有坚固reduction-oxidation(“氧化还原”)包含一个薄膜晶体管的Fe3O4氧化镁、硅酸锂电解液掺杂锆(图1)。插入的锂离子固体电解质能在室温下实现磁化的旋转角和显著改变电子载流子密度。天富登录注册

 

东京科学大学副教授Tohru Higuchi是这篇发表论文的作者之一，他说:“通过施加电压将固态电解质中的锂离子插入铁磁中，我们研制了一种自旋电子学装置，它比自旋电流注入的磁化旋转装置具有更低的功耗。这种磁化旋转是由于电子注入铁磁体引起的自旋轨道耦合的变化引起的。

 

磁化旋转角度

 

图2。在高于0.7 V的外部电压下，磁化角的变化较为明显，产生约10°的可逆变化。当电压高于1.2 V时，由于磁铁矿相的永久结构变化，旋转更加明显，但变得不可逆。资料来源:东京都科学大学通口彻

 

与之前依赖于强外部磁场或注入自旋定制电流的尝试不同，新方法利用了可逆的电化学反应。施加外部电压后，锂离子从顶部的锂钴氧化物电极迁移并通过电解液到达磁性Fe3O4层。这些离子然后插入到磁铁矿结构中，形成LixFe3O4，并由于载流子的改变导致其磁化角的可测旋转。

 

这种效应使得科学家们可以可逆地改变大约10°的磁化角。虽然通过进一步提高外部电压可以实现更大的56°旋转，Higuchi解释说:“我们确定，这种不可逆的磁化角旋转是由过量锂离子导致的磁铁矿晶体结构的变化引起的。如果我们能够抑制这种不可逆的结构变化，我们可以实现更大的磁化旋转。”

 

科学家们开发的新器件代表了自旋电子器件发展中磁化控制的一大步。此外，该器件结构相对简单，易于制作。年来土屋隆博士主要研究员,该研究的通讯作者说,“在室温下通过控制磁化方向由于锂离子插入Fe3O4,我们可以采用低功耗多旋转的旋转磁化电流注入。开发出来的元素结构简单。”

 

尽管要充分利用这个新设备还有很多工作要做，但自旋电子学的即将兴起必将开启许多新颖而强大的应用。国际材料中心首席研究员Kazuya Terabe博士说:“在未来，我们将尝试实现磁化角180°的旋转。