电子自旋传递距离可达1微米 比硅等无机半导体更

 

  剑桥大学26日称,该校卡文迪许实验室与德国、捷克等国研究机构组成的国际团队在有机半导体研究领域取得新进展,为使用有机半导体生产速度更快、能效更高的计算机带来了希望。

  “自旋”是电子固有的角动量术语,被简称为向上或向下。用电子的上/下状态代替传统计算机逻辑中的0和1,可以改变计算机处理信息的方式。建立在自旋电子学基础上的器件的工作原理,是利用一系列电子的相关自旋(称为纯自旋电流)来传输信息,取代四处移动的电荷包。通过消除电荷的移动,器件本身不仅消耗的电力更少,而且产生的热量也少,由此解决了耗能和散热等进一步提高计算机性能的主要障碍。所以基于有机半导体的自旋电子学器件,一直被认为可以提供更快、更节能的计算机,且能执行比目前更加复杂的操作。但在过去10年里,有机自旋电子学的发展一直比较沉寂,其主要原因是难以做到在不丢失原始信息的情况下,使电子自旋能够围绕聚合物电路移动足够远的距离。

  有机半导体内部结构通常高度无序,电荷包的移动速度远不如在硅或砷化镓等无机半导体中的移动速度,并且这两种半导体都具有高度有序的晶体结构。通过对有机半导体电子自旋的实验发现,有机半导体中的电子自旋往往是和其中的电荷一起运动的,由于电荷移动得比较慢,所以自旋也不会走得远,通常只有几十纳米。

  为促使电子的自旋能够通过一个合理的距离,且在编码信息随机化之前存活足够长时间,研究人员人为地增加了有机材料中的电子数量,并使用一种称为自旋泵的技术向材料注入纯自旋电流。研究人员发现,高导电性有机半导体受一种新的自旋输运机制控制,这种机制能将它们转变为非常好的自旋导体。这种机制本质上就是将自旋信息从电荷中解耦,这样,自旋就能在长达1微米的距离内快速传输,这个距离对于实验室中的自旋电子设备来说已经足够大。下一步,该团队还将进一步研究化学成分对于有机半导体在原型器件中有效传输自旋信息能力所起的作用。

  研究人员认为,具有长距离自旋传递和长自旋寿命的有机半导体,是未来基于自旋、低能耗的控制和通信设备的良好材料,比硅等无机半导体更便宜、更容易生产。这一成果发表在近期出版的《自然电子》杂志上。



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