石墨烯晶格電子自旋示意圖

　　圖片來源：Image copyright 2015 Bart van Wees

　　電子學(xué)基于電子及其他載流子的操縱，除了電荷之外，電子還具有一個稱之為自旋的屬性。通過磁場和電場控制自旋，產(chǎn)生自旋極化電流，可攜帶比單獨電荷更多的信息。自旋輸運電子學(xué)，或稱為自旋電子學(xué)是歐洲石墨烯旗艦計劃研究的主題。

　　自旋電子學(xué)研究和開發(fā)電子自旋、磁矩以及電荷的固態(tài)器件。一些人認為這個課題很深奧，挑戰(zhàn)了量子物理和化學(xué)基礎(chǔ)，但人們曾以為這與當今主流的電子學(xué)是相同的�，F(xiàn)實是，自旋電子學(xué)是應(yīng)用科學(xué)與工程的一個成熟領(lǐng)域，，也是一門迷人的純科學(xué)。

　　電子自旋與量子邏輯(Electron spin and quantum logic)

　　值得注意的是，在石墨烯自旋電子學(xué)研究之前，自旋電子學(xué)已經(jīng)是數(shù)字電子技術(shù)方面的一個關(guān)鍵領(lǐng)域，即數(shù)據(jù)存儲。

　　自旋可看作是繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的電子，具有內(nèi)在角動量，可從上或下兩個方向檢測到磁場。結(jié)合這些磁取向和二進制邏輯的開/關(guān)電流狀態(tài)，可獲得一個四狀態(tài)系統(tǒng)，兩個磁取向形成一個量子比特(quantum bit, or qubit)

　　計算機技術(shù)方面，相比于兩狀態(tài)，四狀態(tài)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，提高處理能力和存儲密度，增加存儲容量。電子自旋為存儲及操縱信息提供一個額外自由度。

　　現(xiàn)代磁硬盤的讀取頭采用與自旋相關(guān)的巨磁阻(Giant Magnetoresistance，GMR)和隧道磁阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效應(yīng)。GMR器件由分隔開的兩層以上鐵磁材料組成。當磁性層磁化矢量平行時，電阻更低。這種裝置稱之為自旋閥。對于TMR，電子輸運由粒子穿過絕緣的分離的鐵磁層的量子力學(xué)隧道產(chǎn)生。

　　在這兩種情況下，磁場傳感器可讀取硬盤上磁編碼的數(shù)據(jù)。磁阻式隨機存取存儲器(Magnetoresistive Random Access Memory)和賽道存儲器(racetrack memory)這兩種計算機內(nèi)存都利用了電子自旋。

　　石墨烯自旋輸運(Spin transport in graphene)

　　石墨烯是石墨的單層原子結(jié)構(gòu)，其室溫自旋輸運相干擴散長度長達數(shù)微米，是自旋電子學(xué)應(yīng)用的理想材料。石墨烯還具有高電子遷移率、可調(diào)載流子濃度等性質(zhì)。

　　石墨烯室溫自旋輸運的研究可以追溯到2007年，由荷蘭格羅寧根大學(xué)(Groningen University)物理學(xué)家、歐洲石墨烯旗艦計劃科學(xué)家Bart van Wees帶領(lǐng)的團隊進行。去年發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上的一篇文章表述了自旋輸運的首次實際演示的討論，以及石墨烯自旋電子學(xué)理論和實踐的詳細技術(shù)綜述。雷根斯堡旗艦科學(xué)家(Regensburg-based flagship scientist)Jaroslav Fabian是該綜述的作者之一。

　　van Wees課題組的實驗及隨后的研究表明，10%左右這種相對低的自旋注入效率可能是由于鐵磁材料與石墨烯間的電導(dǎo)失配，或者其他相關(guān)效應(yīng)引起的。采用氧化鎂薄膜作為隧道勢壘可獲得了相對高得多的效率。

　　還使用了其他的方法，一種方法是采用針孔交叉、透明連接絕緣層，使得鐵磁電極與石墨烯層直接接觸，還有一種方法是使用銅等無磁性材料。隧穿絕緣層的情況下，測量的磁電阻最大達到130 ohms(歐姆)，相應(yīng)的自旋注入效率達到60%以上。

　　從小尺度的自旋輸運研究到大面積石墨烯的研究，是石墨烯自旋電子學(xué)應(yīng)用于集成電路晶片的關(guān)鍵一步。重點在于懸浮石墨烯層的自旋輸運以及沉積于六方氮化硼(hexagonal boron nitride，hBN)基底的石墨烯。隨著技術(shù)的發(fā)展，獲得了更長的自旋長度及壽命，后續(xù)文章將討論石墨烯-hBN異質(zhì)結(jié)的實例。

　　使石墨烯磁化(Making graphene magnetic)

　　要在強反磁性的石墨烯中產(chǎn)生磁有序是一個重大挑戰(zhàn)。然而，如果要將石墨烯應(yīng)用于自旋電子學(xué)領(lǐng)域，誘導(dǎo)磁矩是至關(guān)重要的。希望通過對石墨烯進行摻雜或功能化可獲得可調(diào)的磁性。這可通過材料六方晶體結(jié)構(gòu)的缺陷或在其表面吸附原子來實現(xiàn)。

　　氫化石墨烯是磁性石墨烯的基準，氫原子可逆的化學(xué)吸附在石墨烯上。這造成晶格失衡，從而誘導(dǎo)磁矩。另一種是氟原子，與碳鍵合使得石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵督^緣體。與氫原子相似，氟原子可逆的化學(xué)吸附在石墨烯上。

　　“石墨烯是自旋電子學(xué)中很有前途的材料，其自旋特性不僅能調(diào)節(jié)，甚至可通過與原子或其他2D材料結(jié)合進行定制�！盕abian說，“一旦確定合適的材料，將開啟具體的技術(shù)應(yīng)用之路。這也是完美旗艦計劃正在研究的。”

　　石墨烯結(jié)構(gòu)中消失的一個碳原子或空位都將產(chǎn)生自旋極化電子，由鍵上剝離四個電子，其中三個形成“懸掛”狀態(tài)。兩個懸掛鍵產(chǎn)生磁矩，但缺乏預(yù)言的π-magnetism的直接證據(jù)。

　　延長自旋壽命(Extending spin lifetime)

　　最大限度的延長自旋壽命是石墨烯自旋電子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵。理論預(yù)測純石墨烯的自旋壽命在1微秒左右，而實驗獲得的數(shù)值在幾十皮秒到幾納秒之間。石墨烯自旋壽命只有達到納秒及以上，其自旋輸運才應(yīng)用于實際。兩個數(shù)量級以上的差異是致命的，它表明自旋弛豫是外源性的，比如雜質(zhì)、缺陷或是研究中的誤差。

　　石墨烯自旋閥與二氧化硅基底隧道接觸，已經(jīng)實驗觀測到幾納秒的自旋壽命，但針孔連接測得的壽命遠低于一納秒。接觸引起的自旋弛豫是一個關(guān)鍵因素。這可通過提高接觸質(zhì)量和是鐵磁電極間距遠大于塊材石墨烯自旋相干長度來縮短。

　　盡管已有大量的理論研究，但對于石墨烯自旋弛豫的來源仍知之甚少。有兩種機制可用于解釋實驗趨勢�；谧孕壍礼詈霞皠恿可⑸浣忉尳饘偌鞍雽�(dǎo)體自旋電子的來源。自旋軌道耦合是指電子的自旋與其運動的相互作用，自旋與由原子核周圍電子軌道產(chǎn)生的磁場間的相互作用導(dǎo)致了顆粒原子能級的改變。

　　問題是兩種自旋弛豫機制都不成立。兩者都預(yù)測有微秒級的壽命，但實驗表明最大只有幾納秒。唯一與單層和雙層石墨烯實驗結(jié)果相吻合的機制是基于由局域磁矩引起的共振散射。該模型由雷根斯堡(Regensburg)的Fabian研究小組提出。

　　最近的研究結(jié)果表明，電子遷移率并不是限制自旋壽命的因素，石墨烯中帶電粒子和雜質(zhì)間的散射也不是自旋弛豫的主要影響因素。也就是說，確定自旋弛豫的主要來源對石墨烯研究人員來講仍然是一個挑戰(zhàn)。確定石墨烯自旋弛豫的來源將有助于提高其自旋壽命，甚至達到理論極限，這對基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用都具有重要的意義。

　　未來發(fā)展方向(Future directions)

　　發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)的綜述在結(jié)論中指出，F(xiàn)abian及其同事認為利用自旋，石墨烯自旋轉(zhuǎn)移力矩的邏輯器件可用于信息處理。目前，自旋邏輯器件是國際搬到圖技術(shù)路線(International Technology Roadmap for Semiconductors)的組成部分，以期應(yīng)用于未來計算機。

　　自旋邏輯器件包括可擦寫芯片、晶體管、邏輯門、磁傳感器以及用于量子計算的半導(dǎo)體納米顆粒。最近發(fā)表的“石墨烯、相關(guān)二維晶體及其雜化體系的科學(xué)技術(shù)路線圖”("Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid /systems.")討論了以上那些應(yīng)用以及其他石墨烯基自旋電子學(xué)應(yīng)用。該路線圖由歐洲石墨烯旗艦計劃(Europe's Graphene Flagship)框架提出，歐洲石墨烯旗艦計劃是由歐洲委員會(European Commission)資助的一個國際學(xué)術(shù)/工業(yè)組織，致力于石墨烯及其他層狀材料的研發(fā)。

　　自旋電子學(xué)是一個相對年輕的研究領(lǐng)域，但近年來在石墨烯及相關(guān)材料長自旋壽命和擴散長度方面已經(jīng)取得了重大進展。石墨烯旗艦計劃的研究人員處于這一世界性研究的核心。

　　新材料在線編譯整理——翻譯：菠菜 校正：摩天輪