理论加速推动用于旋转式设备的推动

莱斯大学(Rice University)的科学家们已经开发出一种方法，可以推动不断发展的自旋电子学领域。自旋电子学依赖于电子的状态和推动它所需的强大电力。

Materials theorist Boris Yakobson and graduate student Sunny Gupta at Rice’s Brown School of Engineering describe the mechanism behind Rashba splitting, an effect seen in crystal compounds that can influence their electrons’ “up” or “down” spin states, analogous to “on” or “off” in common transistors.

“自旋”是一个用词不当的词，因为量子物理只将电子限制为两种状态。但这是有用的，因为这使它们有可能成为下一代量子计算机的关键部件，以及使用更少能源的更强大的日常电子设备。

但是，找到最佳材料来读写这些位是一项挑战。

Rice模型以单层为特征来预测异对-二维双层-使大Rashba分裂成为可能。这将使我们有可能控制足够多的电子的自旋，从而制造出室温自旋晶体管，这是一种比普通晶体管先进得多的、依赖电流的晶体管。

“信息处理背后的工作原理基于可以在或开启的电子流动，”Gupta说。“但是电子也具有可用于处理信息的自由度，并且是闪蒸的基础。通过优化Rashba效果来控制电子旋转的能力可以为电子设备带来新功能。

他说:“具有自旋相关内存的手机将比现在强大得多，耗能也少得多。”

Yakobson和Gupta希望消除寻找材料的试验和错误。他们的理论旨在这样做。

“电子旋转是通常需要磁场控制的微小磁性矩，”Gupta说。“然而，在计算中典型的小规模上操纵这些领域非常困难。Rashba效应是使我们用易于施加的电场而不是磁场控制电子旋转的现象。“

雅可布森的小组专门从事原子级计算，预测材料之间的相互作用。在这种情况下，他们的模型帮助他们理解，计算各个物质成分的Born有效电荷提供了一种方法来预测双分子层中的Rashba分裂。

“出生的有效电荷表征了原子外部扰动下的键极化变化的速率，”Gupta说。“当两层堆叠在一起时，它有效地捕获了格格和电荷的产生变化，这带来了负责Rashba分裂的整体层间极化和接口场。”

他们的模型出现了两种异常层 - Mote2 | TL2O或Mote2 | PTS2 - 这是用于操纵Rashba旋转轨道耦合的良好候选者，这在弱范德瓦尔斯力举起的两层之间发生在界面之间。（对于较低化学倾斜的，Mo是钼，Te是碲，T1是铊，O是氧，Pt是铂，s是硫。）

左边的图像显示了MoTe2|PtS2异质双层分子层的晶体结构，其等电荷图来自Rice大学的模型。当材料堆叠在一起时，镜像对称被打破，电荷转移产生了一个本征电场。这个场负责rashba型自旋分裂，如图所示的带结构在右边，其中自旋垂直于动量。Courtesy: Sunny Gupta, Rice University

Gupta注意到Rashba效果是在具有破坏反转对称的系统中发生的，其中电子的旋转垂直于其动量 - 产生磁场。它的强度可以通过外部电压来控制。

“不同之处在于，由于Rashba效应产生的磁场取决于电子的动量，这意味着向左移动的电子和向右移动的电子所经历的磁场是不同的，”他说。“想象一个电子的自旋指向z方向，并在x方向移动;它将在y方向上经历一个动量依赖的Rashba磁场，这将使电子沿着y轴进动，并改变其自旋方向。”

传统的场效应晶体管(FET)的开启或关闭取决于电荷通过带有栅极电压的势垒的流动，而自旋晶体管通过栅极电场控制自旋进动长度。如果晶体管的源极和漏极处的自旋方向相同，则该器件是开启的;如果方向不同，则关闭。因为自旋晶体管不需要在fet中发现的电子势垒，它需要更少的功率。

“与传统的基于电荷的电子器件相比，给出了闪光灯的巨大优势，”Gupta说。“可以快速设置自旋状态，这使得传输数据更快。旋转是非挥发性的。即使在电力损失后，使用旋转发送的信息仍然固定。此外，需要更少的能量来改变旋转而不是产生电流以保持器件中的电子电荷，因此闪光灯设备使用更小的功率。“

“对我这个化学家来说，”雅克布森说，“这里揭示的自旋分裂强度取决于玻恩电荷，在某种程度上，非常类似于鲍林公式中原子的键离子性和电负性。这种类比非常有趣，值得进一步探索。”

- 由Chris Vavra，Web Content Manager编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。