2024 年 12 月 10 日，马德里。传统电子技术的基础是控制流经电子电路的电子的微小电荷。而自旋电子学则是一种新兴技术，它将电子的另一种特性–自旋–作为变量。自旋角动量是一种量子力学特性，人们已经开始利用它来尝试创造更快、更高效的信息流。就像传统电子技术用充电来表示信息的0和1一样，在自旋电子学中，两种自旋状态（向上和向下）可以用来表示相同的二进制数据。
自旋电子电路的速度更快、效率更高，因为自旋状态的变化发生在极短的时间尺度上，低于纳秒，从而加快了数据传输的速度。改变自旋状态所需的功率比开关传统电子设备要小得多，因此自旋电子设备的耗电量相对较小。
量子飓风
当电子穿过一种特殊的磁性纹理–天磁（skyrmion）时，它的自旋磁矩会发生扭转，以适应天磁的局部自旋结构（带状图案）。这种扭曲改变了电子的运动方向，并将电子和天幕推向相反的方向。自然 第 465 卷第 880 期。
飓风的特点是强风围绕风暴眼旋转，可以非常稳定地移动数千公里。在量子场论和固态物理学领域，存在一种稳定的拓扑解，称为天幕，其性质与粒子相似，与飓风有几分相似。天戎于 1960 年被预言，并于 2010 年在某些磁性材料中首次被实验观测到。在天磁子中，磁化轻轻扭曲，使其在每个天磁子的中心和边缘之间反平行。 由于相邻自旋之间的相互作用，这种模式变成了一个稳定的磁结，称为 “Dzyaloshinskii-Moriya”。因此，Skyrmions 被归类为拓扑稳定型，这一特征源自拓扑学这一数学学科，该学科根据绕组数等属性对几何构型进行分类，而绕组数对磁场和电场等外部扰动具有稳健性。
一个试图穿过天空离子的电子在通过它时会翻转自旋。人们很快发现，可以利用这一特性来操纵信息存储设备中的自旋状态。这为开发运行速度远高于现有系统的量子计算机或信息处理系统提供了可能。
自旋电子学
在由保罗-佩尔纳（Paolo Perna）领导的 IMDEA Nanociencia 自旋轨道电子学研究小组中，他探索了磁性材料中基于自旋的新传输概念，其中自旋轨道耦合发挥了重要作用。这比自旋电子学更进一步：它们利用了自旋与其轨道的相互作用。”要利用自旋进行操作，我们必须能够控制和操纵它们。操纵电子自旋的最有效方法之一就是利用自旋与轨道运动之间的相互作用：即所谓的自旋轨道耦合。保罗-佩尔纳说：”这导致了有趣的新现象，并巩固了另一个电子学领域，即自旋轨道电子学，它在磁电存储器和神经形态计算中有着有趣的应用。
该研究小组的目标是探索具有低维度、只有几个原子层的材料，这些材料的组合会产生新的物理特性，例如，可以创建天幕并对其进行操纵。2018 年，佩尔纳博士领导的研究人员证明，由原子层石墨烯与铁磁体和重金属组合而成的设备符合所有这些要求。石墨烯使得获得均匀、平整和受保护的磁层成为可能，而且该磁层在原子上也是完美的。此外，得益于石墨烯，不同材料之间奇特的相互作用以及 Dzyaloshinskii-Moriya 的巨大相互作用，使该装置表现出非常强的磁各向异性。强磁各向异性有利于提高磁存储器中存储的数据在热波动下的稳定性–我们希望写入的信息能保存数十载。特别是，这些设备表现出巨大的 “杜兹阿洛辛斯基-莫里亚 “相互作用这一事实，也意味着天磁可以被稳定下来。最后这一发现在当时是一个令人惊讶的开创性成果，它促使 SpinOrbitronics 小组继续研究这一课题。
在发表于《ACS Nano》的自旋轨道电子学小组的最新研究成果中，作者阐明了自旋与其环境相互作用的起源
要建立开发自旋电子器件的直接途径，就必须了解这些不寻常特性的根本原因。在发表于《ACS Nano》的自旋轨道电子学小组的最新研究成果中，作者阐明了自旋与其环境相互作用（自旋轨道耦合）的起源。通过角度和自旋分辨光发射光谱（spin-ARPES）和功能密度理论（DFT）实验，研究了重金属铱上的石墨烯和钴层器件。作者观察到了与 “Rashba “相互作用一致的能量分裂，这种相互作用是 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用的指纹或起源，而这种相互作用使天目离子保持稳定。
这种类似拉什巴的相互作用直接影响电子运动中的自旋排列。拉什巴效应可以通过施加电场来控制，从而调整磁各向异性和 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用，实现精确的自旋操纵，促进复杂的自旋配置。
孤立的石墨烯是一种理想的材料，具有优异的性能，但其自旋轨道相互作用却微乎其微。将石墨烯与其他铁磁性材料以薄层配置结合在一起，可以增强其自旋轨道相互作用，实现对自旋纹理的电学控制。但是，为了回答石墨烯如何诱发巨大的 Dzyaloshinskii-Moriya 界面相互作用这一问题，研究人员在最新的工作中设计了一个非常全面的特定实验。这项研究涉及德国柏林的 BESSY II 同步加速器和法国的 SOLEIL 同步加速器，目的是寻找这种强相互作用起源的证据。研究发现，在石墨烯-钴-铱多层器件中，巨大的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用表现为石墨烯π态的自旋分裂，这与石墨烯-钴界面上类似拉什巴的自旋轨道相互作用是一致的，而且比预期的要大两个数量级。研究人员发现，当钴的厚度大于 10 个单原子片时，拉什巴效应就会消失，这表明这些态与重金属铱的电子解耦。在这种情况下，自旋轨道相互作用来自重金属铱，由钴介导，并在石墨烯中观察到。
在取得这些令人鼓舞的成果之后，IMDEA 纳米科学部的自旋电子学小组继续研究如何增强这种巨大的拉什巴效应。在其他工作中，由于石墨烯、钴和稀土的结合，发现了强烈改变石墨烯电子特性的可能性，允许创建平坦和自旋极化的电子带，这些发现为实现新的量子技术打开了大门，并为自旋和轨道之间的相互作用添加了另一种成分：晶体网（论文发表在《先进材料》和《碳》杂志上）。所有这些都是为了能够在超短时间尺度内探索功能性（工作发表在《自然-纳米技术》杂志上），并通过界面工程设计增强自旋电荷转换（成果待发表）。
数据存储技术的未来
阿尔伯特-费尔特教授和彼得-格伦伯格教授于 2007 年获得诺贝尔物理学奖，他们发现可以利用电子自旋来提高从硬盘读取信息的速度，并利用这一特点开发出一种革命性的技术。巨磁电阻技术大大降低了电阻，从而加快了数据传输的速度（IBM，1997 年）。此后，研究人员一直致力于将自旋电子技术引入计算机存储器，目标是用磁阻存储器（MRAM）取代目前的动态随机存取存储器（DRAM）。预计这些存储器将来会被 SOT-MRAM 所取代，SOT-MRAM 是一种利用自旋轨道力矩的存储器，一些公司如 Samsumg、Everspin 或英特尔公司已经在市场上销售这种存储器。
IMDEA Nanociencia 的 SpinOrbitronics 小组致力于寻找磁性数据存储设备的改进方法，研究如何放大自旋轨道耦合现象。自旋电子元件将发挥重要作用，确保我们以更低的消耗和成本稳步提高吞吐量和更快更大容量的存储。
这项工作是马德里纳米科学高等研究所（IMDEA Nanociencia）、凝聚态物质物理研究所（IFIMAC-UAM）、柏林材料与能源亥姆霍兹中心、的里雅斯特 Elettra Sincrotrone、同步加速器 SOLEIL 和尤里希研究中心研究人员合作的成果、部分资金来自由保罗-佩尔纳协调的 FLAG-ERA SOgraphMEM PCI2019-111867-2 项目、知识生成项目 PID2021-122980OB-C52 和研究合并项目 CNS2022-136143（PI 为保罗-佩尔纳），以及 IMDEA Nanociencia 的 Severo Ochoa Excellence 认证（CEX2020-001039-S）。
术语表
自旋–电子的磁角动量。与粒子自转的经典直觉不同，自旋并不意味着电子实际上在旋转。自旋是一种基本性质，描述的是一种只与亚原子粒子相关的角动量，在经典物理学中没有直接的对应物。
自旋电子学：又称自旋电子学，是物理学的一个分支，除电荷外，还利用电子的自旋状态来设计数据存储或传输设备，其效率高于目前的电子设备。
磁各向异性是指材料磁性的方向性。
Skyrmion：磁场的稳定构型，可产生纳米磁涡旋型结构，这种结构可以位移，同时保持其形状，非常坚固。
Dzyaloshinski-Moriya相互作用：是某些磁性材料中电子自旋之间的一种相互作用，它有利于相邻自旋的非共线性排列，即自旋之间以倾斜的方式排列，而不是平行或反平行。这种相互作用是自旋轨道相互作用的结果，在存在不对称结构的情况下，自旋轨道相互作用将电子自旋与其轨道运动联系在一起。
拉什巴效应在结构不对称的材料中，电子因自旋轨道相互作用而发生自旋分离的现象。换句话说，当电子在没有空间反转对称性的材料中移动时（即原子周围的环境在所有方向上都不相同），由于自旋轨道相互作用，电子自旋与线性动量耦合，导致自旋相反的电子向不同方向移动。例如，在材料表面和存在垂直于电子运动的电场的界面上就能观察到这种现象。当外部或内部电场（例如在界面处）打破了系统的空间对称性时，就会产生拉什巴效应。拉什巴效应会影响电子运动中的自旋排列，而 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用则会建立相邻自旋之间的优先排列。
参考资料
Beatriz Muñiz Cano, Adrián Gudín, Jaime Sánchez-Barriga, Oliver Clark, Alberto Anadón, Jose Manuel Díez, Pablo Olleros-Rodríguez, Fernando Ajejas, Iciar Arnay, Matteo Jugovac, Julien Rault, Patrick Le Fèvre, François Bertran, Donya Mazhjoo, Gustav Bihlmayer, Oliver Rader, Stefan Blügel, Rodolfo Miranda, Julio Camarero, Miguel Angel Valbuena, and Paolo Perna. Rashba-like Spin Textures in Graphene Promoted by Ferromagnet-Mediated Electronic Hybridization with a Heavy Metal. ACS Nano 2024 18 (24), 15716-15728. DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
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