石墨烯在室溫下實現自旋過濾

據美國《IEEE光譜》雜志12月28日報道，美國海軍實驗室的科學家將一層石墨烯置於鎳層和鐵層之間，制造出了首個能在室溫下過濾自旋的薄膜結點設備，最新研究將有助於下一代磁隨機存儲器（MRAM）的研制。

電子具有兩個重要的屬性：電荷和自旋，現代微電子技術隻利用了電子的電荷屬性﹔而在新興的自旋電子學中，自旋取代電荷作為信息儲存和傳輸的載體。自旋過濾能得到高度自旋極化的載荷子。在磁隨機存儲器中，自旋極化脈沖讓磁位在“0”和“1”之間切換，從而實現數據的存儲和傳輸。

起初，石墨烯並沒有應用於該領域，因為當它平放時，電子的自旋不受影響且方向隨機。但很多研究結果表明，石墨烯有望在自旋電子學領域“大展身手”。此次研究制造出的最新設備就是一個例証。從本質上來說，新設備就像一種過濾器，僅讓擁有某種自旋的電子通過﹔而阻止擁有其他自旋的電子，確保電子的上、下極化彼此區別開來，制造出數字邏輯“0”和“1”。

研究發表在美國化學學會《納米》雜志上，科學家們正在研究疊層石墨烯薄膜的導電性以及它們與其他材料之間的相互作用。為此，他們想出了一種新方法，在一塊光滑的晶體鎳合金薄膜上，直接“種植”大塊的多層石墨烯薄層，這一過程設法保住了鎳合金薄膜的磁性，使他們能將鎳薄膜變成結點陣列。

研究人員解釋稱，新架構中的自旋過濾現象是石墨烯的量子力學屬性同晶體鎳薄膜的量子力學屬性相互作用的結果，當鎳層與石墨烯層對齊時，僅擁有特定自旋的電子能從一種物質轉移到其他物質。

該研究主要負責人、海軍研究實驗室材料科學和技術分部的恩裡克·寇巴斯說：“自旋過濾效應已被理論預測，以前僅在處於低溫的高電阻結構內看到，新結果表明，這一效應也能在室溫低電阻設備內工作。”

很長時間以來，現代微電子技術都沒有考慮電子的自旋特性，致使后者的應用價值被忽略。但現在自旋電子儼然是技術“新貴”了，科學家們正在廣泛挖掘能應用於自旋電子學的材料，它們要求有較高的電子極化率，又要有較長的電子自旋弛豫時間。石墨烯能在室溫下實現自旋過濾，這將導致新的量子力學器件產生，而其最終目的，就是引起信息工程的革命。（記者 劉霞）