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諾獎(jiǎng)獲得者Albert Fert發(fā)現(xiàn)高速儲(chǔ)存的石墨烯利器

時(shí)間:2018-06-21 作者:中國化工儀器 閱讀:4217

近日,美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和法國諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Albert Fert合作完成了一個(gè)科研項(xiàng)目,將單層的石墨烯和薄層磁性材料(鈷和鎳)結(jié)合在一起,使它能在非常小的體積下快速高效地存儲(chǔ)傳輸數(shù)據(jù)。這為下一代計(jì)算發(fā)展奠定了高速儲(chǔ)存技術(shù)基礎(chǔ)。


因?yàn)閷Χ鄬硬牧系拇判孕?yīng)研究做出突出貢獻(xiàn),Albert Fert在2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。也正因?yàn)樗x取硬盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)的新技術(shù)才得以問世,之后這種技術(shù)得到開拓發(fā)展,逐漸引出一個(gè)新的研究領(lǐng)域——“自旋電子學(xué)”。通過研究如何控制利用 “自旋”電子的基本屬性,科學(xué)家們試圖開發(fā)出一種用于計(jì)算機(jī)的新型低耗能、高速存儲(chǔ)運(yùn)算技術(shù)。


那究竟什么是電子自旋呢?伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Andreas Schmid解釋說:“在量子物理學(xué)的概念里,電子就像是羅盤的指針,會(huì)指北或指南,這種特性就是自旋。”而石墨烯和磁性層之間又是如何相互影響的呢?研究人員發(fā)現(xiàn),材料的電子和磁性會(huì)在層相遇的地方形成微小的漩渦模式,這為控制這些漩渦方向以及在超薄材料中利用這些“自旋軌道”效應(yīng)提供了可能。


通常情況下,希望利用這一效應(yīng)的研究人員會(huì)將重金屬或貴金屬(如鉑和鉭)與磁性材料結(jié)合在一起。但石墨烯的出現(xiàn)成為了一種具有革命意義的潛在替代品,因?yàn)樗直∮州p,具有非常高的導(dǎo)電性,并且還可作易腐蝕磁性材料的保護(hù)層。這完全滿足科學(xué)家們對“自旋電子學(xué)”的研究初衷,能夠?qū)崿F(xiàn)在非常小的體積下快速高效地存儲(chǔ)傳輸數(shù)據(jù),并且不會(huì)產(chǎn)生熱量積聚,這個(gè)特征能解決當(dāng)前小型計(jì)算設(shè)備最常見的高溫難題。


Andreas Schmid說:“你可以想象未來我們不再需要電腦移動(dòng)硬盤,我們僅僅用幾個(gè)電信號(hào)就可在其他固態(tài)設(shè)備中存儲(chǔ)信息。在這種情形下,計(jì)算功耗會(huì)降低,而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的易失性問題也可解決,畢竟‘硬盤’不再移動(dòng)。”


目前他們的最新研究成果已經(jīng)表明,實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的曙光就在眼前,下一步該做的是控制一種納米磁性特征——斯格明子(skyrmions,專業(yè)解釋見文末),它可以使材料的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出特定的手性特征,使它們可以順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。


在傳統(tǒng)的層狀材料中,電子在材料中的傳播模式就像風(fēng)吹一樣,一波連著一波,如果想改變磁結(jié)構(gòu),就會(huì)像強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)一堆葉子一般。但這種石墨烯層狀材料的卻相反,由于“自旋霍爾效應(yīng)”(專業(yè)解釋見文末),新的石墨烯層狀材料中的強(qiáng)電子自旋效應(yīng)可以驅(qū)動(dòng)相反手性的不同方向的磁性結(jié)構(gòu),這解釋了電流如何影響自旋,反之亦然。如果這種手性可以通過一種材料普遍對齊,并以受控方式翻轉(zhuǎn),研究人員就可以用它來處理數(shù)據(jù)。


Schmid補(bǔ)充說:“我們的團(tuán)隊(duì)成員通過計(jì)算表明,如果采用不同的磁性材料和石墨烯結(jié)合,并構(gòu)建多層堆疊的結(jié)構(gòu),那么這種現(xiàn)象和影響會(huì)被非常有力地放大。”為了測量多層材料,科學(xué)家在伯克利的國家電子顯微鏡中心用上了最高端的儀器——自旋極化低能電子顯微鏡(SPLEEM)。這是世界上僅有的一些專用設(shè)備之一,能以標(biāo)樣為基準(zhǔn)映射出樣品的三維磁化輪廓(或矢量)的方向,揭示其“旋轉(zhuǎn)紋理”,讓科學(xué)家獲得不同種類的圖像。同時(shí)該研究小組還用這臺(tái)儀器的分子束外延功能精確地制備了樣品,并使用其他形式的電子束探測技術(shù)研究樣品。

 
     作為共同主要作者的Gong Chen是伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員,現(xiàn)在也是加州大學(xué)戴維斯分校物理系的項(xiàng)目助理科學(xué)家,他表示,為這次合作早在2016年就和法國的科學(xué)家召開過一次會(huì)議,他們兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之前都獨(dú)立開展了類似的研究,后來終于實(shí)現(xiàn)了協(xié)同合作。
 
    Chen說:“盡管本次最新實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果早在幾十年前就被討論過,但使用像石墨烯這樣原子級薄的材料代替重元素來產(chǎn)生這些效應(yīng),不管從哪個(gè)角度來說都是一個(gè)新概念。薄膜的自旋霍爾效應(yīng)長期以來一直被科學(xué)家們忽視,但事實(shí)上這種類型的多層堆疊非常穩(wěn)定和堅(jiān)固。”
 
    Schmid也說:“應(yīng)用斯格明子對于數(shù)據(jù)處理來說可能是革命性的突破,因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)下信息的存儲(chǔ)密度可以遠(yuǎn)高于常規(guī)技術(shù)所能達(dá)到的數(shù)值,并且功耗要低得多。我們的研究人員也正努力在絕緣體或半導(dǎo)體上制備石墨烯磁性多層材料,以使其開拓出更多的潛在應(yīng)用。”
 
    這項(xiàng)工作由美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室與法國巴黎第十一大學(xué)的科學(xué)家合作完成的,其中包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Albert Fert教授。該團(tuán)隊(duì)在伯克利實(shí)驗(yàn)室的國家電子顯微鏡中心完成了最關(guān)鍵的測量工作,他們的研究結(jié)果以論文形式發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。

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