新材料和新技術為微電子和量子技術帶來了希望

隨著手機和電腦尺寸的縮小，我們對資料儲存和傳輸的需求不斷增長。幾十年來，電子設備一直由半導體驅動，但隨著小型化的不斷推進，半導體的製造尺寸受到了限制。

下一代手持設備需要新穎的解決方案。自旋電子學，或，是凝聚態物理學的一個革命性的新領域，可以提高奈米電子裝置的儲存和邏輯處理能力，同時降低功耗和生產成本。這是透過使用廉價的材料和電子自旋的磁性來執行儲存和邏輯功能而不是使用典型電子設備中使用的電子電荷流來實現的。

佛羅裡達州立大學科學家的新工作正在推動自旋電子學研究向前發展。

化學與生物化學系的馬碧武教授和物理系的熊鵬教授致力於低維有機金屬鹵化物雜化物的研究，這是一種新型雜化材料，可為太陽能電池、發光二極管或LED等光電器件提供動力和光電探測器。

他們共同發現了這些材料的新磁性和電子特性，顯示自旋電子學具有巨大的潛力。熊在他的個人工作中設計了第一個在半導體中產生無磁性電子自旋的實例，促進了高功率電子設備的低成本開發。

材料化學專家 Ma 表示：“雖然這種新型材料已被證明可用於製造 LED 等光電裝置的光學材料，但這是我們第一次觀察到一些獨特的磁性。”

「根據選擇合適的有機和金屬鹵化物成分（理論上可以是無限的），我們能夠將它們組裝成不同維度的晶體結構。不同的成分和結構使它們表現出不同的性能，可以有多種應用，從光電子學到自旋電子學，甚至兩者的結合。

馬的實驗室合成了不同配置的材料，然後將它們送到熊的實驗室進行電子和磁性表徵——兩個實驗室的研究生都領導了實驗。熊的實驗室隨後提供有關合成材料特性的回饋。

在題為「一維有機氯化銅混合絕緣體中的反鐵磁有序」的研究中，發表在應用化學、Ma 和 Xiong 揭示了新發現的特性，強調了這些材料作為自旋電子學高度可調量子平台的潛力。

馬說：“想到這只是一篇針對一種特定材料的出版物，真是令人興奮。” “我們合成了數百種材料，我們預計未來會出現更多有趣的特性和有用的應用。”

由佛羅裡達州立大學化學與生物化學副教授歐陽斌和北卡羅來納州立大學物理學副教授孫大利領導的研究團隊也為這項研究做出了貢獻。

「我和必物之間的合作非常自然，」熊談到正在進行的四年合作夥伴關係時說道。 「兩個實驗室的材料合成和性能表徵之間的反饋存在很多來回，我們必須在合成中進行微調以實現最佳性能等等。它是高度互動的，我們有許多不同的使用不同材料同時進行的項目。

兩人的合作研究重點是開發用於自旋電子學的新型功能材料，而熊的個人研究則引入了一種全新的為自旋電子學提供動力的方法，即利用電子自旋與其環境中手性的相互作用，在半導體中產生無磁性電子自旋。

目前，自旋產生通常是透過與磁鐵相互作用產生的，這種方案有顯著的缺點。例如，外部磁鐵的邊緣場很容易破壞自旋排列，如果在高密度電腦晶片等小型電子設備中使用多個半導體，則會導致複雜化。

在一項題為「半導體中手性誘導的無磁自旋生成」的研究中，發表在先進材料今年夏天，熊展示了自旋產生的非磁性途徑。

「我們不是向磁鐵施加電壓來將電子移入或移出半導體，而是翻轉電子在傳輸過程中的自旋，」熊說。 「我們發現，當你強迫電子通過手性結構（一種具有不可複製鏡像的分子）時，它會變得自旋極化，並使電子以與其他電子。

「這個過程不僅比常規自旋生成使用更少的能量，並且在過程中損失更少，而且也更容易實現高密度整合。我們的下一步是使用2019 年製造的手性半導體實現無磁自旋生成。

這項工作還作為特邀報告在2024年美國物理學會3月會議。這項研究的其他貢獻者包括來自中國科學院、魏茨曼科學研究所和加州大學洛杉磯分校的科學家。