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预测硅表面的本征磁性可能导致单自旋磁电子学

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如果实验证实海军研究实验室(NRL)和威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家提出了一个新的理论预言,那么将单一自旋磁电子技术整合进标准硅技术可能很快就可能实现。研究人员预测,尽管没有磁性元素,但由少量金原子稳定的一系列知名硅表面本质上是磁性的。迄今为止,这些表面还没有进行实验性的磁性研究,但是新的预测已经被现有的数据间接支持。这项研究的完整发现发表在2010年8月24日的期刊 Nature Communications

硅为基于单次旋转的磁电子与标准电子技术的结合提供了一个独特的切入点。如果一个单一的自旋装置可以建立在硅片上,输入和输出电子装置可以直接与装置的磁性部分集成。这是当前自旋电子学方法的一个障碍。例如,从金属到硅的自旋注入是非常低效的,除非金属/半导体界面被仔细优化。

这些最新结果的优点是,自然本身通过自组装过程引导具有原子精确结构有序的极化电子自旋长链的形成。 NRL物理学家Steven Erwin博士和该项目的主要理论家说:“这种结构和磁性的整合对于未来基于原子级单一自旋的技术至关重要。

磁性硅表面,这里说明其中之一,自然形成的步骤,由金原子链(黄色)稳定。根据团队的计算,台阶边缘的一些硅原子具有完全自旋极化的未配对电子,并且可能在足够低的温度下进行磁性排序。

Si(553)-Au表面上的原子链是在威斯康星大学麦迪逊分校共同作者Franz Himpsel博士的小组中发现的。全球其他几个组织近年来一直在研究这种“一维”硅表面。正如Himpsel所指出的那样,“通过操纵结构在非磁性材料中产生磁性的想法长期以来一直吸引着科学家的注意。在硅片上实现这一想法的希望已经被广泛讨论了几十年,但到目前为止这些猜测都没有受到仔细的审查。“Erwin和Himpsel的工作提出了一些实验,如自旋极化扫描隧道显微镜,直接测试他们的预测。但是,已经有间接的实验证据支持硅表面磁性的可能性。韩国延世大学和美国橡树岭国家实验室的两个研究小组发现,Si(553)-Au在低温下出现周期性的两种周期性“波纹”。沿着硅阶梯边缘发生一个波纹,其正常周期性是三倍,另一波纹沿正常周期性的两倍。这里显示的Erwin和Himpsel的预测完美地再现了这种模式。而且,这种模式只有在计算允许磁性时才会出现。当理论中磁性被“关闭”时,波纹就完全消失了。因此,如果初步确认磁性,对三重和双重涟漪的观察提供间接的。

自旋极化原子的线性链为原子内存和逻辑提供了原子上完美的模板,其中一个自旋代表了一个位。宾夕法尼亚州立大学理论物理学家杰拉尔德·马汉(Gerald D. Mahan)理论上最近提出了一个“自旋移位寄存器”。另一个应用是将信息存储在单个磁性原子中。 Erwin和Himpsel的工作也预测,自旋耦合的幅度甚至符号可以通过掺杂电子或空穴到表面状态来改变。密切相关的Si(111)-Au表面可以被表面上的吸附物(例如,硅吸附原子)电子掺杂。通过改变这种吸附物的数量,人们可以非常精确地进行能带结构工程。该 利用表面化学调整Si(553)-Au及其亲属表面磁性的可能性提出了一个引人入胜的新的研究方向。这项工作得到了海军研究办公室和国家科学基金会的支持。



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