控制磁铁矿在室温下的磁化方向

在过去的几十年里，传统电子产品在计算和信息技术方面迅速达到其技术极限，需要超越单纯操纵电子电流的创新设备。在这方面，自旋电子学是应用物理学中最热门的领域之一，它研究利用电子的“自旋”来执行功能的设备。但是，测量、改变以及通常使用这种基本的量子特性绝非易事。

(NIMS) 的一组科学家最近在ACS Nano 上发表了一项研究，其中他们提出了一种令人惊讶的简单而有效的策略来操纵磁化角在磁铁矿 (Fe 3 O 4 ) 中，这是一种典型的铁磁材料。该团队制造了一种全固态还原氧化(“氧化还原”)晶体管，其中包含氧化镁上的 Fe 3 O 4薄膜和锂掺杂锆的硅酸盐电解质(图 1)。锂离子在固体电解质中的嵌入使得在室温下实现磁化角的旋转和显着改变电子载流子密度成为可能。东京理科大学的 Tohru Higuchi 副教授是这篇已发表论文的作者之一，他说：“通过施加电压将固体电解质中的锂离子插入铁磁体中，我们开发了一种自旋电子装置，可以以较低的速度旋转磁化强度。功耗比通过自旋电流注入的磁化旋转的功耗要低。这种磁化旋转是由电子注入铁磁体引起的自旋轨道耦合变化引起的。”

与之前依赖使用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，锂离子从顶部的钴酸锂电极迁移并穿过电解质，然后到达磁性 Fe 3 O 4层。然后这些离子将自身插入磁铁矿结构中，形成 Li x Fe 3 O 4并由于电荷载流子的改变而导致其磁化角发生可测量的旋转。

这种效应使科学家们能够可逆地改变大约 10° 的磁化角。尽管通过进一步提高外部电压实现了 56° 的更大旋转，但他们发现磁化角无法完全切换回(图 2)。“我们确定这种不可逆的磁化角旋转是由于锂离子过多导致磁铁矿晶体结构的变化引起的，”樋口解释说，“如果我们能够抑制这种不可逆的结构变化，我们就可以实现更大的磁化旋转.”

科学家们开发的新型器件代表了自旋电子器件开发磁化控制的一大步。而且，该装置的结构比较简单，易于制造。NIMS 首席研究员、该研究的通讯作者 Takashi Tsuchiya 博士说：“通过控制室温下由于锂离子插入 Fe 3 O 4 中的磁化方向，我们可以在更低的温度下运行与自旋电流注入的磁化旋转相比，功耗更高。开发的元件以简单的结构运行。”

创建大容量的高密度自旋电子存储设备，甚至模拟生物神经系统的神经形态设备。图片来源：东京理科大学

尽管要充分利用这种新设备还有更多的工作要做，但自旋电子学的即将兴起肯定会开启许多新颖而强大的应用程序。“在未来，我们将尝试实现 180° 的磁化角旋转，”NIMS 国际材料纳米结构中心首席研究员、该研究的合著者 Kazuya Terabe 博士说，“这将让我们创造出大容量的高密度自旋电子存储设备，甚至是模拟生物神经系统的神经形态设备。” 自旋电子学的其他一些应用是在令人垂涎的量子计算领域。

只有时间会告诉我们这项前沿技术对我们有什么好处!

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