自旋无间隙半导体在自旋电子器件中的应用前景

传统的电子学和信息技术是以yabosports官网电子的电荷和带隙为基础的。相比之下，自旋电子学的新兴领域除了依赖于电荷外，还依赖于电子的自旋（它们固有的角动量）。

卧龙岗大学（UOW）的研究人员最近完成了自旋无间隙半导体的广泛研究，一种新的材料，连接半导体和半金属。这些研究人员开始用能防止因导电而浪费能量的材料进行实验。

Dirac和抛物线SGS材料的能带结构与自旋轨道耦合。使用的图像由未来低能耗电子技术中心（舰队）yabosports官网

该领域的专家声称，SGS将使研究人员能够更好地开发出超高速、超低功耗的产品自旋电子学.

自旋无间隙半导体的起源

自旋无间隙半导体是由王晓林教授首先提出的在他们的研究开始之初，王教授和他的团队一直在努力寻找适合超快自旋电子学应用的材料。该团队的目标是在不浪费电传导能量的情况下操作自旋电子装置。

对王的研究很重要的是了解不同材料的能带结构。

例如，在硅中，导带和价带被一个小间隙隔开。由于阈值能量很小，它可以把电子推进材料的导带。对于导体来说，材料的价带和导带之间需要有一个小的间隙，以使电子易于流动。在绝缘体中，材料被更大的带隙隔开，阻止了电子的流动。

金属、绝缘体或半导体的价带（下）和导带（上）。使用的图像由未来低能耗电子技术中心（舰队）yabosports官网

在这项研究中，王教授和他的团队发现，自旋无间隙半导体在边缘同时具有导带和价带。这意味着移动电子不需要阈值能量。因此这种新材料对外界的影响很敏感。SGS桥接了零隙材料和半金属，同时具有完全自旋极化的电子和空穴。

SGS的分支：Dirac色散和抛物线色散

本月早些时候，UoW的王教授和他的团队通过研究一种新的半导体材料，开始远离标准的硅基半导体Dirac与抛物型sgs在不同系统中的三个子类型. SGS能带结构分为两类：Dirac线性色散和抛物线色散。

归为狄拉克色散的SGS允许消除电子的有效质量。狄拉克型自旋无间隙半导体通过外加外场或内磁化分离出完全自旋极化的电荷，在样品边缘实现无耗散电荷输运。

抛物线型的导带和价带都呈现无间隙行为，但自旋方向不同。然而，自旋电子器件只需要一个自旋方向。

SGS如何影响自旋电子学

自旋电子器件在不消耗能量的情况下快速传输电子。这些装置还可以操纵电荷，一旦施加外部能量，就可以控制电荷。为了满足这些要求，王教授想方设法消除带电粒子的质量，使这些无质量的电荷完全电子自旋极化.

王教授分享了他对SGS将如何影响自旋电子学的看法：“SGS在下一代自旋电子学器件（包括）低电子学和高速低能耗光电器件中的潜在应用。”yabosports官网

因为SGS允许两倍的操作自由度，自旋电子器件有可能实现更高效的数据存储和传输。研究人员选择了最有用的狄拉克SGSs材料的基础上锰氧化物形状的蜂窝状晶格。

形成蜂窝状晶格的氧化锰。图片由未来低能耗电子技术中心（舰队）yabosports官网

王教授提出了无质量、无耗散自旋电子学的两个关键选择标准：即它们是铁磁性的，并且它们有合适的晶格来产生必要的能带结构。

SGS能抵挡住硅和其他材料吗？

近十年来，人们用密度泛函理论预测了大量的Dirac型或抛物线型sgs，并在单层和体材料中进行了实验验证。许多潜在的狄拉克型蒸汽发生器的候选人已经在王的最新工作中进行了审查。

在以硅为基底的半导体电路中，电子从缺陷和结构上散射出去，在这个过程中消耗能量。信息技术（It）服务器场和数据中心消耗的5%的全球电力中，正是这种浪费的能源占了大部分。

虽然现在确定SGS是否会成为硅或其他半导体的重要竞争对手还为时过早，但工程师们可能会看到自旋电子器件中SGS基材料的最终增长。此搜索无质量无耗散自旋电子学的Dirac-SGSs也可能激发对其他材料候选人的兴趣。