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新型材料自旋电子学及自旋器件的应用

电子具有电荷和自旋两个自由度，以往用的都是电荷这一自由度。但由于量子效应的限制，传统芯片的发展面临着摩尔定律的终结。后摩尔定律时代，自旋电子学是一个十分重要的研究方向。

自旋电子器件基于电子自旋进行信息的传递、处理与存储，自旋电子器件相比于微电子器件，具有非易失性(non-volatility)、存储密度高、能耗低、响应快等多种优点，能成功解决摩尔定律的时效性。

1990年，Datta和A.Das提出来了自旋场效应晶体管(两边的自旋注入端(Source)和自旋探测端(Drain)是铁磁材料，并且具有相同的磁化方向。中间通道通常为半导体异质结，其中的结构反演不对称(Rashba)自旋轨道耦合可以由门电压VG来调节，入射的电子自旋会绕着自旋轨道耦合所建立的有效磁场作进动，电流会根据电子进动情况而变化(如图所示)。但能够放大自旋信号的自旋极化晶体管(或场效应管)实验上还没有成功的演示，目前仍处于很大的挑战之中。我们的研究目标便是旨在实现自旋场效应晶体管，推动自旋电子学的发展和创新。
我们科研组在自旋电子学方面的主要研究内容是将其与新型二维材料结合起来。由于二维材料自旋弛豫时间长，自旋扩散距离长等优点(如石墨烯)，比基于传统金属材料和半导体材料的自旋电子学更具优势。而且使用不同的二维材料可以组成异质结结构，会出现很多新颖的特性。如Graphene/TMDC异质结，由于TMDC的强自旋轨道耦合作用，会发生自旋相关的散射，这可以很好的弥补石墨烯无磁矩，无法操控电子自旋的问题。