[发明专利]碳涂布的导体中的自旋电流效应

说明书

发明领域

本发明大体涉及物理学和电气工程的领域，且更具体地涉及近几年来被称为自旋电子学的磁电子学。自旋电子学利用电子的量子特性中的一个，也就是自旋。

发明背景

在量子力学中，自旋意味着基本粒子的性能特征，类似地对应于角动量，即经典力学中的动量冲量（the momentum of momentum）。在代表自旋的量子数“s”可以是整数或半整数的意义上，自旋是量子化的数量。更准确地，费密子（例如电子、质子和中子）的自旋是半整数且玻色子（例如光子）的自旋是整数。例如，电子的自旋可以存在于两种不同状态中；其为-1/2或+1/2。玻色子是遵循玻色–爱因斯坦统计法的基本粒子，且进而费密子遵循费米-狄拉克统计法且还遵循泡利不相容原理。简而言之，自旋可以被认为是意味着基本粒子围绕特定旋转轴线的旋转运动。

自旋电子学意味着通常利用电子以及在其处理中的电荷的自旋的技术，该方法使得以期望的方式控制电子即控制电荷电流(electric current)成为可能。进而，自旋极化意味着对电流操纵以便使电子的自旋对齐。简而言之，该方法提供了围绕相同轴线旋转的一组电子，对其的一个类比是相干激光。如果电荷电流通过以该方式操纵的电子的运动而产生，则可以说，电流是所谓的自旋电流(spin current)。这样的电流几乎以光速实际上无损失地传送，这与由载荷子形成的传统电流不同。

更普遍地，自旋电子学利用所谓的薄膜技术。利用电子的自旋效应的这样的薄膜技术的一个实例是所谓的GMR（“巨磁电阻”）。其基于使已在不同方向上磁化的铁磁金属和非铁磁金属的层交替。该效应基于具有与磁导体的磁场对齐的自旋的电子的散布不同于具有相反自旋的电子的事实来利用电子的自旋特征。哪种类型的电子散射较多取决于导体。最简单地，GMR效应可以用三个材料层来构造，该三个材料层具有已在相反方向上磁化的两个铁磁层以及在该两个铁磁层之间的非铁磁层。在该情况下，电子在第一层中的设有特定的自旋散射且电子还在第三层中设有特定的第二自旋散射。从这可得出结构的阻力变得更加强劲的结论。GMR技术利用例如在计算机的硬盘读出器中。

出版物：Murakami、Nagaosa、Zhang的“Dissipationless Quantum Spin Current at Room Temperature（室温下的能量不散逸量子自旋电流）”，科学，第301卷，2003年8月7日出版，其中描述了室温下的自旋电流。Murakami从理论上讨论了自旋电流在室温下和在特定的半导体中的形成，该特定的半导体例如硅、锗和砷化镓。

所谓的自旋霍尔效应意味着通过反号的自旋在半导体的不同边缘上聚集的方式，使在半导体中运动的电子在半导体样本的不同侧上聚集，有点类似于经典霍尔效应。该效应可以在没有外部磁场的情况下形成。另一方面，已经产生的自旋霍尔效应可以被强外部磁场消除。除了半导体之外，该效应最近也使用金属观察到。

在现有技术中，自旋电流还已经通过使用旋转磁场来产生，该旋转磁场可以在不具有由载荷子形成的形成电流的情况下产生。在该情况下，自旋电流可以使用独立电压来产生。该方法例如可以产生所谓的自旋场效应晶体管，参见出版物：2003年3月31日出版的Guo等人的“Quantum spin field effect transistor（量子自旋场效应晶体管）”,Phys.Rev.B67,092408。

在硅中产生强自旋电流的一种方法在出版物：“Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry”,Applied Physics Letter,第91卷,第21期,2007年11月中呈现。在该出版物中，硅设有用于供给和检测的接触部，该接触部使用彼此垂直的磁场来磁化。最终，在硅中形成纯粹地包含自旋电流而不是电荷电流的通道。

现有技术在产生自旋电流中的主要问题是其需要外部方式或来源来生成自旋电流。通常，这包括不同的自旋泵布置（在宽泛的意义上，其可以被认为是在自旋电子学中对于蓄积器的对应物（counterpart）），以及例如使用外部磁场和/或电场来控制自旋。

发明目的

本发明的目的是公开一种用来在金属导体中产生自旋电流的新的方法类型。特别地，本发明的目的是产生该效应而不具有复杂的外部布置，且其广泛地可适用于不同的应用。

发明概述