近日，來(lái)自俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院Rzhanova半導(dǎo)體物理研究所Gumilyov(IPP SB RAS)的科學(xué)家?jiàn)W列格·葉夫根耶維奇·捷列先科及其團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合俄羅斯科學(xué)院西伯利亞物理問(wèn)題研究所、“西伯利亞環(huán)光子源”集體使用中心、新西伯利亞國(guó)立大學(xué)、“Ekran-FEP”原子能機(jī)構(gòu)的科研人員，成功研制出世界上第一臺(tái)具有空間分辨率的自旋探測(cè)器，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，并獲“編輯推薦”稱號(hào)。
該自旋探測(cè)器運(yùn)用獨(dú)特過(guò)濾器——納米厚度的鐵磁薄膜(納米膜)來(lái)檢測(cè)電子自旋。其工作原理與光學(xué)偏光鏡類似，非極化電子穿過(guò)鐵磁納米膜后，在輸出端可獲得極化電子。研究團(tuán)隊(duì)在考慮空間分辨率的情況下，創(chuàng)造了檢測(cè)電子自旋極化效率的世界紀(jì)錄。為測(cè)試探測(cè)器效率，團(tuán)隊(duì)還制作了自旋三極管(自旋加速器)，這在世界上尚屬首次。
自旋探測(cè)器將應(yīng)用于西伯利亞環(huán)光子源(SKIF)電子結(jié)構(gòu)站的角分辨光電子能譜(ARPES)設(shè)施。目前，國(guó)外無(wú)法購(gòu)買到適用于SKIF的自旋探測(cè)器，且不存在兼具全功能(具有空間分辨率的自旋檢測(cè))、高效率、低成本和易用性的同類設(shè)備。此外，該自旋分析儀還可相對(duì)容易地集成到電子顯微鏡中，助力獲取固體磁性的詳細(xì)信息。自旋電子學(xué)發(fā)展催生的技術(shù)，有望推動(dòng)真空自旋電子學(xué)這一新方向的發(fā)展。
奧列格·捷列先科教授作為文章第一作者和研究小組負(fù)責(zé)人，詳細(xì)介紹了該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。他指出，這是全球首臺(tái)以自旋濾波器(鐵磁納米膜)為主要功能元件的自旋探測(cè)器，效率顯著高于現(xiàn)有電子自旋探測(cè)器。使用該設(shè)備無(wú)需像莫特自旋探測(cè)器那樣將被研究粒子加速到高能量，且能以空間分辨率進(jìn)行測(cè)量，單位時(shí)間內(nèi)可收集幾個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)。其使用壽命以年為單位，而具有類似功能的商用設(shè)備1 - 2周后便需更換，成本也比市面上無(wú)空間分辨率的自旋探測(cè)器低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
電子自旋是電子的特征之一，有自旋向上和自旋向下兩種狀態(tài)，若光束中所有電子自旋指向同一方向，則該光束為100%自旋極化。此次研究團(tuán)隊(duì)首次在直接成像模式下開(kāi)展二維自旋濾波器(鐵磁納米膜)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，將自旋極化測(cè)量效率比單通道莫特自旋探測(cè)器提高了一萬(wàn)到一百萬(wàn)倍。這一成果對(duì)于在各種光譜和顯微技術(shù)中控制和使用自旋極化電子和電子束具有重要意義，通過(guò)檢測(cè)材料結(jié)構(gòu)或成分的微小變化，可深入了解材料及其磁性。在顯微鏡領(lǐng)域，自旋極化可用于獲取高分辨率圖像，研究單個(gè)原子或分子的性質(zhì)。
為測(cè)試自旋探測(cè)器(鐵磁納米膜)的運(yùn)行，研究人員制作了真空自旋三極管(spintron)，它類似于真空管三極管。真空管通過(guò)控制柵極“解鎖”和“鎖定”電子，而真空自旋三極管則借助鐵磁納米膜控制自旋選擇，通過(guò)磁矩讓特定自旋的電子通過(guò)，開(kāi)啟自旋可降低能耗、提高電子設(shè)備工作頻率，增加信息傳輸、存儲(chǔ)和處理量。
回顧電子器件發(fā)展歷程，“真空微電子學(xué)”領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代隨著真空間隙半導(dǎo)體器件出現(xiàn)而興起，有“回到未來(lái)”的說(shuō)法。現(xiàn)代晶體管的前身真空管雖體積大、功耗高，但設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、元件易更換、耐輻射，且真空是現(xiàn)代晶體管生產(chǎn)關(guān)鍵元素之一——電介質(zhì)的理想材料。進(jìn)入21世紀(jì)，納米技術(shù)推動(dòng)真空微電子學(xué)向真空納電子學(xué)轉(zhuǎn)變，下一步有望向真空自旋電子學(xué)發(fā)展。真空自旋電子納米電子學(xué)能為電子設(shè)備提供更高開(kāi)關(guān)速度、更低能量損失、更強(qiáng)抗輻射能力和更寬溫度范圍。
奧列格·捷列先科表示，此次研究邁出了創(chuàng)建真空自旋電子學(xué)元件基礎(chǔ)的第一步，已研制的自旋三極管(自旋電子管)可歸為該領(lǐng)域一類器件，它通過(guò)影響電子自旋進(jìn)行控制，與上世紀(jì)的真空管通過(guò)電子電荷控制不同，標(biāo)志著團(tuán)隊(duì)在全球科學(xué)界開(kāi)啟了一個(gè)新方向。
目前，團(tuán)隊(duì)正研究將納米膜自旋探測(cè)器集成到用于角分辨光電子能譜的實(shí)驗(yàn)室裝置中，以測(cè)量電子動(dòng)量、能量和自旋三個(gè)分量的分布，獲取晶體中載流子色散規(guī)律的完整信息，這對(duì)尋找和研究未來(lái)電子學(xué)和自旋電子學(xué)領(lǐng)域有前景的新型半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和二維材料的特性至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)改進(jìn)自旋探測(cè)器，相信其將在西伯利亞環(huán)光子源的電子結(jié)構(gòu)站發(fā)揮全部潛力。該研究得到俄羅斯科學(xué)基金會(huì)和新西伯利亞州政府的支持(項(xiàng)目編號(hào)22 - 12 - 20024，p - 9)。
