利用单原子自旋流彻底改变电子学

一组研究者在自旋电子技术方面取得了重大突破，实现了铊铅合金单原子层中自旋极化电流的单向流动。

这一进步不仅挑战了材料与光相互作用的传统观点，而且预示着未来超精细、环保数据存储的发展。

自旋电子技术的突破性发现

东京大学的研究人员 Ibuki Taniuchi、Ryota Akiyama、Rei Hobara 和 Shuji Hasegawa 发现了一种突破性的方法，可以在室温下暴露在光线下时控制单原子层铊铅合金中自旋极化电流的方向。这一发现挑战了传统认识，因为单原子层以前被认为是近乎透明的，这意味着它们与光的相互作用极小。

这项研究观察到了单向电流流动，这为超越普通二极管的进步打开了大门，有可能带来环保的数据存储解决方案和超薄二维自旋电子器件。这项研究于 1 月 10 日发表在ACS Nano上。

二极管功能的进步

二极管是现代电子产品的重要组成部分，其工作原理是将电流限制在一个方向上。然而，随着设备变得越来越薄，设计和制造这些组件变得越来越复杂。这就是自旋电子学（一个专注于操纵电子自旋的领域，通常使用光）发挥作用的地方。通过探索这种超薄系统中的自旋电子学，研究人员旨在发现可能彻底改变电子和数据存储技术的新现象。

“自旋电子学传统上处理的是较厚的材料，”秋山说。“然而，我们对非常薄的系统更感兴趣，因为它们具有内在的激动人心的特性。所以，我们想将两者结合起来，研究二维系统中光到自旋极化电流的转换。”

创新和未来应用

光转换为自旋极化电流的过程称为圆形光电效应 (CPGE)。在自旋极化电流中，电子的自旋在一个方向上排列，根据光的极化将电流的流动限制在一个方向上。这种现象类似于传统二极管，其中电流只能根据电压的极性在一个方向上流动。

研究人员使用铊铅合金来观察这种现象是否能在单原子层（二维系统）中观察到。他们在超高真空下进行实验，以避免材料的吸附和氧化，从而揭示其“真实颜色”。当研究人员用圆偏振光照射合金时，他们可以观察到流动电流方向和大小的变化。

“更令人惊讶的是，”秋山说，“这是一种自旋极化电流：由于这些薄合金的新特性，电子自旋的方向与电流的方向一致。”

该团队之前开发的这些薄合金表现出独特的电子特性，偶然为该团队当前的研究提供了线索。有了这些新知识，秋山展望未来。

“这些结果表明，基础研究对于应用和开发至关重要。在这项研究中，我们旨在观察一个优化的系统。下一步，除了寻找具有独特电子特性的新型二维薄合金外，我们还想使用较低能量（太赫兹）激光来缩小诱导 CPGE 的激发路径。这样我们就可以提高从光到自旋极化电流的转换效率。”