互动科普

利用电子的自旋工作的微电子器件是一个产值达数十亿美元的新兴行业，并可能为量子微芯片的问世开辟道路。

撰文/Dvaid D.Awschalom, Michael E.Flatte和Nitin Samarht

（原文：Spintronics，pp52~59，June 2002）

金属型器件属于3大类自旋电子器件中的第l类，也是最成熟的一类。第2类自旋电子器件的特点是，自旋极化电流在半导体（而不是金属）中流动。半导体型的自旋电子器件一旦达到实用阶段，将使现有的多种微电子制造技术能够得到充分利用；同时，由于半导体具有优良的光学特性，并且既能放大电信号也能放大光信号，因此，自旋电子器件的半导体化将促使光学新型器件问世，包括超快开关以及完全可编程的全自旋电子型微处理器等。这一研究方向最终可望开发把逻辑、存储以及通信等功能融合在一块芯片上的新型多功能电子器件。

为了使第2类器件迅速发展成为生机勃勃的产业，研究人员还必须解决若干重大问题，其中包括：我们是否能够找到一些具有良好成本效益的方法来把铁磁金属和半导体结合在集成电路中?我们是否能打造出在室温下具有铁磁性的半导体?能否找到一种有效的方法来把自旋极化电流（即自旋电流）注入半导体中?自旋电流在不同半导体之间的界面处会发生什么情况?在半导体中自旋电流的极化能够维持多长时间?

我们自己的研究小组正在对这些问题进行攻关，但同时我们也在关注更长远、更带理论性的目标，那就是第3大类自旋电子器件。这类器件通过操纵单个电子的量子自旋状态来发挥作用。自旋电子量子逻辑门就属于这类器件之列；借助这种量子逻辑门，我们能够制造出大规模的量子计算机，它在执行某些任务时的优越性能将令传统计算机望尘莫及。为了实现这一目标，研究人员将动用各种新奇技术，诸如磁阱离子，“冻结”的光，超冷量子气体（称为玻色一爱因斯坦凝聚体），以及液体中分子的核磁共振等等，真是八仙过海，各显神通。

我们认为，传统的电子半导体技术已经具备了非常深厚的根基，因此我们在实现上述目标时，依赖这一基础作为前进的跳板是理所当然的。事实上，最近的一系列出人意料的发现证实了我们的预感，即半导体自旋电子器件是开发量子计算机和其他量子信息机器的一条切实可行的途径。无论是考虑新一代家用电子产品的开发这一近期目标，还是考虑量子计算这一远景目标，自旋电子器件都可望令这个行业发生翻天覆地的变化。

自旋电流的探索

“电子自旋”这个术语很形象，顾名思义，试想象一个微小的带电球在迅速地旋转。球体上的环行电荷相当于许多微小的环电流，这些环电流产生出一个与地球磁场相似的磁场。科学家按惯例用一个箭头矢量来描述该带电球的转动，箭头的方向与带电球的旋转轴平行。将这个旋转球置于外加磁场中，就可以改变它的总能量，而这一能量的变化与带电球的自旋矢量相对于外加磁场的取向有关[见32页图文]。

在某些方面，电子俨然似这样一个旋转的带电球——它有一定的角动量（“自旋”）及相应的磁性，而在外加磁场中它的能量与其自旋矢量的取向有关。然而电子与旋转带电球的相似之处也就这么多了，剩下的就是各种奇异的量子性了。电子其实是理想的无维度点而非微小的球体，因此，认为电子的“自旋”是真的在转动，这种过于简单的描述并不符合实际情况。此外，每个电子的自旋都是完全相同的，都等于角动量的基本量子单位的二分之一。这一特性已经被纳入了所有基本粒子的数学描述中，它的重要性和意义完全超出了本文的范围。总而言之，自旋与质量及电荷一样，是确定电子特性的基本参数之一。

在通常的电流中，电子自旋的取向是随机的，因此对于确定导线的电阻或确定晶体管电路的放大特性不起任何作用。而自旋电子器件则依赖于“自旋向上”的传导电子与“自旋向下”的传导电子的差异。在铁磁体（如铁或钴）中，相邻原子上的某些电子的自旋方向趋向于一致。一块高度磁化的铁中很大一部分区域内的电子都将有相同的自旋取向。当电流通过该铁磁体时，具有某一自旋取向的电子将受到阻碍，结果形成所谓“自旋极化电流”，在这种电流中，所有电子的自旋取向都改为另一方向。

铁磁体甚至能够影响邻近的非磁性金属中的电流。例如，现今计算机硬盘驱动器的读头使用一种名为“自旋网”的器件，该器件由一层非磁性金属夹在两层铁磁性金属之间构成。第一层铁磁性金属的磁化是固定的，但第二层铁磁性金属的磁化则不固定。当读头沿着计算机磁盘上的一条数据轨移动时，记录在磁盘上的数据1与0所产生的微小磁场将使第二层铁磁性金属的磁化方向来回改变，忽而与固定层的磁化方向平行，忽而与之反平行。当二者的方向平行时，只有其自旋取向为优先方向的电子比较容易在导线中流过。而当二者的方向反平行时，所有电子的流动都受到阻碍。这样所产生的电流变化使GMR读头探测微弱磁场的能力与老一代读头相比更胜一筹，因此在相同的磁盘面积上可容纳更多的磁化点以存储数据，从而把数据存储密度提高两倍。

另外一种3层器件——磁隧道结——则是1层薄薄的绝缘物夹在2层金属铁磁体之间[见33页图]。电流通过量子隧道效应流经磁隧道结。尽管势垒的存在阻止电子进入绝缘层，但仍有少量电子通过隧道效应而越过势垒。当两个铁磁体层的电子自旋取向相反时，隧道电流就受到阻碍，而当取向相同时，磁隧道结将允许电流通过。

磁隧道结构成了前面提到的MRAM芯片的基础。每个磁隧道结可以通过其未固定铁磁性金属层的取向存储一位数据。无论电源是通是断，该层都将保持其磁状态，至少是它在被有意重写之前将一直保持磁状态。

上面介绍的金属型自旋电子器件为信息存储开辟了新的途径，但半导体自旋电子器件则可能向我们展示更为诱人的发展前景。传统的半导体不具备铁磁性，因此人们可能想知道半导体型自旋电子器件如何能发挥自旋器件的功能。解决这个问题的办法之一是利用某种铁磁性金属来把自旋极化电流注入半导体中。赶电子的过程快得多。我们也可以设想通过一个外加磁场来改变源极或漏极的自旋取向，从而获得传统FET所不可能具备的又一种控制手段，即迅速地改变逻辑门的功能。

然而，迄今为止尚无人成功地打造出一只实用的Datta-Das自旋FET样品，因为把自旋电流从铁磁金属高效地注入半导体中的难度很大。虽然这仍然是一个有争议的课题，但世界各地多家实验室最后进行的光学实验表明，将自旋电流有效地注入半导体事实上可以通过一类名为“磁性半导体”的非常规材料来实现。磁性半导体材料用锰之类的原子对半导体晶体掺杂，从而具有磁性。

研究人员精心开发的某些磁性半导体已经具有铁磁性。这些磁性半导体可用来制作一种名为“门功能铁磁体”的自旋电子器件，有朝一面临的一个关键问题是，电子在穿越半导体时或者从一种材料进入另一种材料时保持某一特定自旋状态的能力有多强。例如，只有当电子在进入半导体通道以及穿越到通道的另一端之后仍然保持极化状态，自旋FET才能正常工作。

如果我们想制造以电子自旋为基础的量子计算机，那么自旋极化将会以多快的速度丧失这一问题就将变得越来越尖锐。为了制造量子计算机，我们必须能够控制所谓“量子相干”的特性（量子相干就是计算机所有携带数据的元件均处于纯粹的量子状态）。以电子的电荷为基础的半导体所存储的量子数据，即使处于极低的温度之下，通常也会在仅仅几皮秒（1皮秒为10-12秒）内就丧失相干性，也就是被耗散掉了。而利用自旋存储的量子数据天生就应当更旋态，其自旋取向开始时与光束相同。在受到一个垂直外加磁场的作用时，电子的自旋便发生进动（process），也就是每个电子自旋矢量的方向在水平面内转动，就像倾斜的陀螺在地球引力场内发生进动一样。进动使我们能够观察这些自旋状态的相干性可以维持多久。但是水平自旋状态还有另一个更加重要的特性。

对于垒球之类的东西来说，水平旋转并无任何特别之处，而且水平旋转与两种垂直旋转方式是截然不同的。但对于电子来说，水平量子自旋态实际上是自旋向上和自旋向下两种状态的相干迭加。实际上这样的电子同时处于两种状态，也就是说，既处于自旋向上的状态，也处于自旋向下的状态。这正好就是量子计算机所利用的那一种状态相干迭加[见37页图文]。

每一电子自旋可以代表一位数据；例如，我们可以用向上的自旋代表l，而用向下的自旋代表0。对于传统的计算机，工程师们需要煞费苦心地确保各数据位处于稳定的、界限分明的状态。反观量子计算机则是把信息编码在各量子位内，每一量子位均可以是0与1的迭加。量子计算机使不计其数的量子位处于两种状态的迭加，因此它理所当然具有极高的并行性，这样量子算法就可以同时运算许多不同的数字。

遗憾的是，在大多数物理系统中，与周围环境的相互作用将使这些迭加态迅速遭到破坏。对迭加态的典型的干扰实际上就是把0与1的迭加随机地变成0或1，这一过程称为退相干（decoherence）。以半导体中电子的电荷为基础的量子位充其量也只能把相干性维持几皮秒，而且还必须是在极低的温度下，因此没有什么实用意义。退相干之所以如此之快，其原因在于电荷之间的电作用力相当强，而且是长程力。在传统的半导体器件中，这种强相互作用是有利的，因为它使我们能够用较弱的电场实现对电流的精细控制。然而，对于量子相干器件来说这种强相互作用是一个祸害。

电子自旋量子位与周围环境仅发生微弱的相互作用，这类相互作用主要是通过在空间中分布不均匀或随时变化的磁场进行的。此类磁场可以有效地加以屏蔽。我们实验的目标就是设在是在半导体中产生这些相干自旋状态的一部分，以观察它们能够维持多长时间。实验结构也有助于弄清如何设计自旋晶体管这类不需要保持并探测单个电子自旋的量子相干性的器件。

我们的实验通过观察自旋的进动来测定退相干速率。每个电子只要其迭加仍保持相干状态，就会继续进动下去。我们使用弱光脉冲来观察进动，实际上就是获得了自旋动态过程的一系列频闪照片。当电子在进动时，测得的信号的幅度就在振荡，而当相干性不复存在后，振荡的幅度便降为零。

令我们大感意外的是，用光脉冲在硒化锌中激发的自旋状态其相干性在低温下可保持几纳秒（1纳秒为10秒）——比基于电荷的量子位延长了整整l000倍。即使在室温下自旋状态也可保持几纳秒的时间。后来对砷化镓中的电子所进行的研究表明，在最佳条件下，半导体中的自旋相干性在低温下可维持数百纳秒之久（砷化镓GaAs是一种高性能半导体，广泛用于手机和光碟机等日常产品中）。

讨厌的空穴

上述实验还揭示了对延长自旋相干时间至关重要的某些特性，其中最重要的是带有自旋与电荷的粒子的特性。半导体中的电子可以占据的关键能带有两个，一个是价带（它通常已被填满），另一个则是能量稍高一些的导带，它通常是空的。半导体中的载荷子有两种，即传导电子（位于导带中的电子）以及价带中的电子缺失后所形成的价带空穴。空穴带有自旋，因为在填满了的价带中所有的自旋相互抵消：从价带中去掉一个电子不仅会留下一个净正电荷，还会留下一个净的过剩自旋。

空穴的自旋相干时间比电子短得多，而且电子和空穴之间的自旋交换效率非常之高，从而加快了电子和空穴的退相干速率。因此，设法消除空穴载荷子是有好处的，而使用n型掺杂半导体晶体就可以做到这一点。n型半导体掺杂后其导带中将出现过剩电子，但不会产生相应的价带空穴。

在空穴被消除以后，剩下来的退相干因素主要就是一种相对性效应了。物体高速穿越电场时将会观察到电场部分地转变为磁场。对于在半导体中运动的电子来说，半导体的晶体结构提供了电场。高速运动的电子其自旋将绕着电子所观察到的局部磁场作进动。我们的每一系综（ensemble）都有大约100亿个被激发的电子，其速度参差不齐，因此它们将以多种方式进动。两个开始时自旋方向平行的电子其自旋可能很快就会指向相反的方向。随着电子自旋取向的差异越来越明显，电子总体的平均自旋极化率也越来越低，在我们的实验中测量到的就是相干性丧失了。这种与电子总体有关的退相干因素带来了这样一种希望:虽然系综内观察到的自旋相干时间已经相当长了，但是单个电子的自旋相干时间其实可能还要长得多。

飞跃的未来

除了载荷子的寿命以外，另外两种特性对于半导体型自旋电子器件也具有关键的作用。其中一项特性是激发能够被输运多远，另一项特性则是器件状态转变的速度能够有多快。宏观的自旋输运现象最初是在n掺杂砷化镓中得到展示的。该实验用激光脉冲激发一小团相干进动的电子（这一点与寿命实验相仿），随后则用一个横向电场拖着这些电子穿越半导体晶体。自旋包越过了100微米以上的距离（这一距离远远超过现今微电子器件中的线宽），而其自旋极化率仅有一定程度的下降[见36页图]。最近进行的实验已成功地推动相干自旋穿过不同成份的半导体晶体之间的复杂界面（例如使相干自旋从砷化镓进入硒化锌中）。从激光器到晶体管的许多半导体器件均采用异质结构，同样的设计原理也可用于自旋电子器件上。

量子信息处理也取得了更大的进展。例如，研究人员采用150飞秒的激光脉冲来使相干电子自旋倾斜，从而证明这类自旋在相干性丧失之前原则上可被操纵数千次之多。与此同时，着眼于近期目标的研究人员在开发新型磁性半导体方面也取得了进展，这类半导体最终可能为实用型自旋晶体管的问世铺平道路。可以说自旋电子器件的革命正在每一条战线上迅速推进，并将不断产生非量子领域中不可想象的新技术。

【胡绍平／译曾少立／校】

参考文献

Electrical Spin and Optical Coherence in Semiconductors. D. D. Awschalom and J.M. Kikkawa in Physics Today，Vol.52，No. 6，Pages 33-38; June 1999

Meet the Spin Doctors. P. Ball in Nature，Vol.404，Pages 918-920; April 27，20 Ultrafast Manipuation of Electron Spin Coherence . J. A. Gupta，R.Knobel，N. Samarth and D. D. Awschalom in Science，Vo1.292，Pages 2458-2461;June 29，2001.

Spintronics: A Spin-Basend Electronics Vision for the Future. S. A. Worlf et al. inScience，Vol. 294，pages 488-1495; November 16，2001.

Microchips That Never Forget. A. Cho in Science，Vol. 296，pages 246-249; April 12，2002.

Semiconductor Spintroni臼and Quanωm Computation. Edited by D. D. Awschalom ，D. Loss and N. Samarth. Springer Verlag，2002.

For more about using spintronics for quantum computing，see www.sciam.coml2oo2/602issue/0602awschalom .htrnl