[论文解读] Information Processing with Pure Spin Currents in Silicon: Spin Injection, Extraction, Manipulation and Detection

O.M.J. van ‘t Erve, C. Awo-Affouda+4 more|ArXiv.org|Jun 30, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文通过Fe/Al2O3隧道势垒接触，在硅中实现了仅利用自旋流的信息处理，无需净电荷流动，即可实现自旋注入、调控与检测。关键结果表明，可通过偏置极性实现自旋取向的电控，以及在外加垂直磁场下实现自旋进动，器件输出与非挥发性GMR自旋阀行为一致。

ABSTRACT

We demonstrate that information can be transmitted and processed with pure spin currents in silicon. Fe/Al2O3 tunnel barrier contacts are used to produce significant electron spin polarization in the silicon, generating a spin current which flows outside of the charge current path. The spin orientation of this pure spin current is controlled in one of three ways: (a) by switching the magnetization of the Fe contact, (b) by changing the polarity of the bias on the Fe/Al2O3 (injector) contact, which enables the generation of either majority or minority spin populations in the Si, providing a way to electrically manipulate the injected spin orientation without changing the magnetization of the contact itself, and (c) by inducing spin precession through application of a small perpendicular magnetic field. Spin polarization by electrical extraction is as effective as that achieved by the more common electrical spin injection. The output characteristics of a planar silicon three terminal device are very similar to those of non-volatile giant magnetoresistance metal spin-valve structures

研究动机与目标

• 在硅中实现仅利用纯自旋流的信息传输与处理，与电荷输运解耦。
• 开发在不改变注入器接触磁化的前提下，对硅中自旋取向进行电控的方法。
• 通过平面三端口硅器件，实现有效的自旋注入与提取。
• 验证纯自旋流器件能否复现非挥发性巨磁阻（GMR）自旋阀结构的输出特性。
• 探索通过外场与偏置控制实现自旋进动及自旋极化的电控调控。

提出的方法

• 利用Fe/Al2O3隧道势垒接触作为硅中的自旋注入器与探测器，生成并检测纯自旋流。
• 通过在注入器接触上反转电偏置，实现注入多数自旋与少数自旋载流子群体的切换，从而实现不依赖磁化翻转的电控自旋取向。
• 施加小的垂直磁场，诱导硅沟道中的自旋进动，实现对自旋态的动态调控。
• 通过电学提取测量自旋极化，性能与传统电学自旋注入方法相当。
• 表征平面三端口硅器件，评估在不同自旋注入与探测条件下的输出行为。
• 将器件响应与非挥发性GMR金属自旋阀结构进行对比，验证其功能与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不产生净电荷流动的前提下，通过纯自旋流在硅中实现信息的传输与处理？
• RQ2 能否通过改变Fe/Al2O3注入器上的偏置极性，在硅中实现电控自旋取向，且不依赖磁化翻转？
• RQ3 在垂直磁场作用下，自旋进动能在多大程度上实现对硅中自旋态的动态调控？
• RQ4 与传统电学自旋注入方法相比，硅中电学自旋提取的效率如何？
• RQ5 具有纯自旋流工作的平面硅三端口器件，能否复现非挥发性GMR自旋阀结构的输出特性？

主要发现

• 通过Fe/Al2O3隧道势垒接触，可在硅中成功实现纯自旋流的注入与检测，实现无需净电荷输运的信息处理。
• 通过切换注入器接触上的偏置极性，可实现对自旋取向的电控，从而在不改变接触磁化的情况下，选择性注入多数或少数自旋载流子。
• 通过施加小的垂直磁场，可在硅沟道中诱导自旋进动，实现对自旋态的动态调控。
• 电学自旋提取实现的自旋极化水平与传统电学自旋注入方法获得的水平相当。
• 平面硅三端口器件的输出特性与非挥发性巨磁阻（GMR）自旋阀结构高度一致，验证了其在自旋电子学应用中的潜力。
• 该器件在多种偏置与磁场条件下均表现出稳健工作性能，证实了基于纯自旋流的信息处理在硅中的可行性。