自旋电子学领域的“神奇材料”

1839年，当德国矿物质学家Gustav Rose在俄罗斯乌拉尔山脉的山坡上捡起一块矿石时，他从未听说过晶体管或二极管，也不知道传统电子产品将成为我们日常生活中不可或缺的一部分，他也没有预料到手里拿着的那块被他命名为“钙钛矿”的石头会成为当今电子革命的关键。

2017年，犹他大学(University of Utah)物理学家Valy Vardeny称钙钛矿是新一代电子领域—自旋电子学—的“奇迹材料”。今天发表在《Nature Communications》杂志上的一篇论文中，Vardeny和Jingying Wang, Dali Sun(现就职于北卡罗莱纳州立大学)及其同事展示了两种使用钙钛矿材料制造的设备，证明了钙钛矿材料在自旋电子学系统中的潜力。Vardeny说，它的特性使得自旋电子晶体管更接近现实。

传统的数字电路系统通过电子脉冲传递二进制信号(比如1和0)，自旋电子学可以通过电子的另一个特性，即电子的自旋方向(自旋向上或向下)来传递额外的信息。自旋与磁性有关。所以自旋电子学使用磁性来操纵电子，或将自旋“注入”到系统中。

如果你曾经做过一个古老的科学实验，通过将钉子反复在磁铁上拖动，使钉子变成一个磁铁，那么你已经涉足了自旋电子学。磁铁把信息传送到了钉子上，接下来是传输和操作这些信息，这就要求设备和材料具有良好的特性。研究人员正朝着实现自旋晶体管的方向努力，利用自旋电子学的电子元件几乎在所有现代电子产品中都能找到。自旋电子学元件需要一种半导体材料，材料中磁场可以很容易地操纵电子自旋的方向，这种性质称为自旋轨道耦合。制造这样一个晶体管并不容易，Wang说，我们一直在寻找新的材料，看它是否符合这个要求。钙钛矿就是这种材料。

钙钛矿是一类具有特殊原子结构的材料。它作为技术材料的价值一直到最近10年才变得明显起来。因为特殊的原子结构，研究人员一直在将钙钛矿开发成制造太阳能电池板的材料。由于钙钛矿的应用，到2018年，太阳能转化为电能的效率将达到23%，远高于2009年的3.8%。

此外，Vardeny和他的同事们一直不断地探索自旋电子学以及有效传递自旋的各种材料。因为钙钛矿中的铅原子很重，物理学家推测这种矿物可能具有很强的自旋轨道耦合。在2017年的一篇论文中，Vardeny和物理学助理教授 Sarah Li 证明了一类钙钛矿（有机-无机混合钙钛矿）确实具有较大的自旋轨道耦合。同时，注入混合材料的自旋寿命也较长，这两个结果都表明，这种混合钙钛矿有望成为自旋电子学的新材料。

Vardeny和Wang的下一步工作是将混合钙钛矿融入自旋电子设备中，第一种器件是自旋电子发光二极管(LED)。传统LED中的半导体包含电子和空穴，空穴是指原子中缺失电子留下的空位，当电子流过二极管时，电子会填充空穴并发出光。

Wang说，自旋电子LED的工作原理与此基本相同，但使用的是磁性电极和容纳特定自旋电子的极化空穴。电致发光使LED被点亮，这表明磁性电极成功地将自旋极化电子转移到了材料中。

Vardeny补充说，如果你把半导体和铁磁体放在一起，就会得到自旋注入，必须证明这一点，同时他们也证明了这一点。

第二种装置是自旋阀，类似的设备已经存在，并用于计算机硬盘驱动器等设备中。在自旋阀中，利用外部磁场使阀内的磁性材料极性反复变化，达到开启和关闭状态。

Wang和Vardeny在自旋阀设备方面做了很多研究，混合钙钛矿作为设备材料，使得研究人员可以在设备中注入自旋，然后通过控制磁场来操纵设备中的自旋。

这是至关重要的，研究人员说，开发自旋电子学不仅可以用于记录信息和数据存储，还可以用于计算。这是开创自旋电子学领域的最初目标，也是我们目前仍在努力的方向。

综上所述，这些实验表明钙钛矿是一种自旋电子半导体。尽管实现自旋晶体管的目标还有很多路要走，但这项研究为未来的道路奠定了重要的基础。Vardeny说，我们所做的就是证明，人类认为钙钛矿可能实现的事情，实际上正在发生，这是向前迈进了一大步。（工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠）