電子自旋傳遞距離可達1微米 比硅等無機半導體更便宜、更容易生產(chǎn)

劍橋大學26日稱，該校卡文迪許實驗室與德國、捷克等國研究機構組成的國際團隊在有機半導體研究領域取得新進展，為使用有機半導體生產(chǎn)速度更快、能效更高的計算機帶來了希望。

“自旋”是電子固有的角動量術語，被簡稱為向上或向下。用電子的上/下狀態(tài)代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機邏輯中的0和1，可以改變計算機處理信息的方式。建立在自旋電子學基礎上的器件的工作原理，是利用一系列電子的相關自旋(稱為純自旋電流)來傳輸信息，取代四處移動的電荷包。通過消除電荷的移動，器件本身不僅消耗的電力更少，而且產(chǎn)生的熱量也少，由此解決了耗能和散熱等進一步提高計算機性能的主要障礙。所以基于有機半導體的自旋電子學器件，一直被認為可以提供更快、更節(jié)能的計算機，且能執(zhí)行比目前更加復雜的操作。但在過去10年里，有機自旋電子學的發(fā)展一直比較沉寂，其主要原因是難以做到在不丟失原始信息的情況下，使電子自旋能夠圍繞聚合物電路移動足夠遠的距離。

有機半導體內(nèi)部結構通常高度無序，電荷包的移動速度遠不如在硅或砷化鎵等無機半導體中的移動速度，并且這兩種半導體都具有高度有序的晶體結構。通過對有機半導體電子自旋的實驗發(fā)現(xiàn)，有機半導體中的電子自旋往往是和其中的電荷一起運動的，由于電荷移動得比較慢，所以自旋也不會走得遠，通常只有幾十納米。

為促使電子的自旋能夠通過一個合理的距離，且在編碼信息隨機化之前存活足夠長時間，研究人員人為地增加了有機材料中的電子數(shù)量，并使用一種稱為自旋泵的技術向材料注入純自旋電流。研究人員發(fā)現(xiàn)，高導電性有機半導體受一種新的自旋輸運機制控制，這種機制能將它們轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅：玫淖孕龑w。這種機制本質(zhì)上就是將自旋信息從電荷中解耦，這樣，自旋就能在長達1微米的距離內(nèi)快速傳輸，這個距離對于實驗室中的自旋電子設備來說已經(jīng)足夠大。下一步，該團隊還將進一步研究化學成分對于有機半導體在原型器件中有效傳輸自旋信息能力所起的作用。

研究人員認為，具有長距離自旋傳遞和長自旋壽命的有機半導體，是未來基于自旋、低能耗的控制和通信設備的良好材料，比硅等無機半導體更便宜、更容易生產(chǎn)。這一成果發(fā)表在近期出版的《自然·電子》雜志上。