】（中央社巴黎31日法新電）法國物理學家今天說，他們已經運用能將硬碟儲存與回復檔案速度加快10萬倍的超快速雷射，魔力十足的新一代資訊科技指日可待。
此項研究是以法國費爾（Albert Fert）與德國葛倫伯格（Peter Gruenberg）2007年榮獲諾貝爾物理學獎的成就為基礎，兩人發現磁場的微小改變，能產生大量電力輸出，接著導致掃描硬碟、找到檔案儲存的零跟一的讀取頭電流改變。
兩人的發現為「自旋電子學」開啟道路。自旋電子學是一種不僅使用電荷，也利用個別原子的電子旋轉，讓硬碟儲存更壓縮、更密集的電子學。
但一直以來，由於磁感應器相對緩慢，無法應用自旋電子學讀寫資料。
史特拉斯堡（Strasbourg）材料物理學與化學研究所（Institute of Materials Physics and Chemistry）的畢戈（Jean-Yves Bigot）團隊，使用「飛秒」雷射，運用雷射光超快速脈衝改變電子旋轉，因此加速了資料的回覆與儲存。研究結果發表在專業期刊「自然物理學」（Nature Physics）。
畢戈告訴「法新社」，因為是用光子改變儲存表面的電子磁性狀態，「我們的方法稱為自旋光子學」。
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德國Regensburg大學的科學家成功地利用圓週極化光在不同的奈米結構上產生自旋極化電流。 每個電子元件都利用了電子的帶電性。然而除了電荷外，電子亦帶有自旋 (spin) 。在電子學 (Electronics) 中，電流可按其主要載子為電子或電洞來區分；在自旋電子學 (Spintronics) 中，電流則以電子自旋極化方向來分別：自旋向上(spin up)或自旋向下(spin down)。這個領域的研究目標乃為開發應用自旋極化電流的電子元件。至於自旋電子元件的可行與否這個問題，則牽涉到是否有一個實際的方法來供應自旋極化電流 。 自旋電子物理學家過去即已知道：圓週極化(circularly polarized)光 會使自旋向上與自旋向下的電子數目失去平衡。以右旋極化(right circularly polarized) 光為例，每一個光子帶著一個單位的角動量。若光子和自旋數是–1/2 的自旋向下電子相加，你將會得到自旋數為 + 1/2的自旋向上電子。持續穩定地射入這些光子可使自旋向上的電子數多於自旋向下的電子數。 自旋電子學的許多實驗都利用到量子井(quantum well)結構。所謂量子井結構，乃是一半導體薄層被另一種較厚的半導體層像三明治般地相夾。由於中間薄層的厚度可小於20奈米，電子沿垂直層面方向的運動因而受到侷限；換句話說，薄層如同一窄長凹槽般地將電子困於其中。Sergey Ganichev與同事在這項發表於物理評論期刊(PRL) 的新實驗中，則得力自量子井材料中一罕被運用的特性：根據電子傳輸理論，晶格體的非對稱性導致井中自旋向上及自旋向下電子，有著非等於零但方向相反的平均速度。當自旋向上與自旋向下電子數不等時，自旋極化電流便因應而生。 他們把圓週極化的遠紅外光雷射脈衝打在以標準半導體材料製作的量子井“三明治” 的透明頂面上。即使雷射光入射角度不再垂直於頂面，其所產生自旋極化電流的方向仍與雷射光束垂直。這證明了雷射光只提供電子角動量，而非線性動量。此外，他們發現逆轉極化光旋轉方向會產生相反行進方向的自旋極化電流。 Ganichev相信這項新技術不但將幫助研究人員對自旋相關效應有更深入的瞭解，還可用來發展偵測圓週極化光的新儀器。 原始論文: Conversion of Spin into Directed Electric Current in Quantum Wells S. D. Ganichev, E. L. Ivchenko, S. N. Danilov, J. Eroms, W. Wegscheider, D. Weiss, and W. Prettl Phys. Rev. Lett. 86, 4358 (7 May 2001) 註釋1: 圓週極化光的電場並不是固定在一個平面上，而是像螺旋推進器般的旋轉。
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前途無量自旋電子
•前言:隨著半導體電子元件急遽縮小的趨勢,當晶片製程小於100奈米時,元件工程師與物理學家將不得不正視量子力學潛在的影響。
探索量子力學領域
•量子力學是個違反直覺、似乎神秘如謎的物理領域。
•在量子力學的描述中,電子的行為就像波動一樣。
自旋電子學
•自旋和磁性類似,是電子的一種量子特性。利用電子自旋原理運作的元件,構成了自旋電子學(spintronics)
不同於傳統的電子學
•自旋電子學是以自旋為基礎的電子學,目前的資訊工業所用的元件純粹是電荷型的。
傳統的電子學
•傳統的電子元件只會移動電荷,卻忽略了電子與生俱來的自旋特性。
自旋與磁性
•磁性是自旋電子物質中集體行為的表現。
•鐵磁性的產生是上旋或下旋電子往某一方向作有序的排列。
思考問題
•每一個固體都含有電子,為什麼不是任何東西都具有磁性?
解釋
•使電子自旋有序排列的力量稱為交互作用力,此力完全是量子力學效應,其作用範圍只有數埃,電子在物質內運動會因散射、熱擾動等因素,使得自旋平均值為零,因此在巨觀測量中不被察覺。
技術層次的突破
•近年表面科學的進步,使我們能探討在原子尺度下的物理世界。
•在磁學的眼光中,電子的自旋自由度變得真實和具體。
磁電子學(magnetronics)
•當半導體過渡到金屬性時,要突破微小尺度的技術,就只能靠自旋電或磁電子了。
磁電子與微電子的特性比較
探索電子的磁性
•電子自旋是在1925年由兩位荷蘭Leiden大學的研究生(Georage Uhlenbeck及Samuel Goudsmit)所提出。
磁性與電子
•電子以下列三種方法產生磁性:
•1.運動電荷的磁性。
•2.自旋產生磁性。
•3.軌道運動產生磁性。
古典的觀點
自旋角動量
•從古典的觀點,孤立的電子,可看作細小的自旋負電荷,其內具有自旋角動量( Spin Angular momentum) S
軌道角動量與磁性(一)
•如圖所示
•電子以速度v
•繞半徑為r
•的圓形軌道運行。
軌道角動量與磁性(二)
•μorb
•=eh/4pm
自旋磁矩
•由於自旋角動量,電子內就具有一自旋磁矩 ( Spin magnetic moment) ms。
自旋角動量的大小
•根據量子理論及實驗測量的結果,自旋角動量的大小為 s=h/2p
=5.2729´10-35J．S
其中h為蒲朗克常數。
自旋角動量與磁矩
•從古典的角度來看,原子中電子的行為類似於小電流迴路;兩者都具自旋角動量及軌道磁矩。電子像一個自旋的負電荷,因而產生內稟自旋磁矩。
自旋量子數(spin quantum number) ms
•不管電子是否被原子束縛,它都擁有其本身的內稟角動量,它被稱為自旋角動量,亦呈現空間量子化特性,並且它在Z軸方向的方向只能有下列之值,
• Sz=ms ħ （讀成h-bar是h/2π的簡寫）。
自旋量子數(spin quantum number) ms
•ms只能具有1/2及-1/2之值,我們稱電子具有(1/2) ħ單位的自旋。
•我們用符號S來代表自旋角動量,而與軌道角動量L區別。
自旋的基本性質(一)
•除了質量與電荷,電子尚有內稟的角動量,稱為自旋。其行為恰似一旋轉小球。
自旋的基本性質(二)
•自旋會產生磁場,就像一條與自旋軸平行的小磁鐵所產生的磁場。
自旋的基本性質(三)
•以向量表示自旋。當小球自西向東旋轉,向量就指向上;當自旋方向相反時,就指向下。
自旋的基本性質(四)
•在磁場裏,自旋向上與向下的電子能量並不相同。
自旋的基本性質(五)
•在一般電路中,電子自旋的方向混亂,對電流不會有影響。
自旋的基本性質(六)
•自旋電子元件產生自旋偏極化電流,並利利自旋加以控制。
什麼是自旋電晶體?
•構想中的自旋偏極化場效電晶體(自旋FET),如同傳統FET一般,有源極與汲極,中間夾著狹長的半導體通道。如下圖:
閘極未加電壓時
閘極未加電壓時
•自旋FET的源極與汲極均具鐵磁性,源極會將自旋偏極電流送入通道,如果到逹汲極時其自旋方向不變,則此自旋電流可輕易地進入汲極。
閘極施加電壓時
•當電壓施加於閘極時,通道內會產生電場,使得快速流過的電子自旋產生進動或旋轉,如下圖:
閘極施加電壓時
自旋FET的優勢
•翻轉電子自旋所需能量較少,且速度較快。這就等於引進了一種新的控制方法,可以製造出運作時能切換功能的邏輯閘,這是傳統FET辦不到的。
自旋FET的現況
•截至目前為止,自旋FET的原型都還未成功問世,這因為將自旋偏極化電流從鐵磁物質中注入半導體內並不是件容易的事。
自旋FET未來
•但最近世界各地所做的光學實驗都顯示,使用一種稱為磁性半導體的非傳統材料(如在半導體晶體內摻入錳原子),可以有效逹成此項目標。
發現新元件
•半導體自旋電子學的發展最令人興奮之處,莫過於發現一些現在還想像不到的新元件。
驚喜發現
•1997年在加州大學聖巴巴拉分校用硒化鋅(ZnSe)做實驗,使用圓偏振光脈衝,將電子團激發到相同的自旋狀態,電場與磁場繞著光行進方向,呈圓形旋轉,而非上振盪。
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