電子學(xué)基于電子及其他載流子的操縱，除了電荷之外，電子還具有一個(gè)稱之為自旋的屬性。通過(guò)磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制自旋，產(chǎn)生自旋極化電流，可攜帶比單獨(dú)電荷更多的信息。

電子學(xué)基于電子及其他載流子的操縱，除了電荷之外，電子還具有一個(gè)稱之為自旋的屬性。通過(guò)磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制自旋，產(chǎn)生自旋極化電流，可攜帶比單獨(dú)電荷更多的信息。自旋輸運(yùn)電子學(xué)，或稱為自旋電子學(xué)是歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃研究的主題。

自旋電子學(xué)研究和開(kāi)發(fā)電子自旋、磁矩以及電荷的固態(tài)器件。一些人認(rèn)為這個(gè)課題很深?yuàn)W，挑戰(zhàn)了量子物理和化學(xué)基礎(chǔ)，但人們?cè)詾檫@與當(dāng)今主流的電子學(xué)是相同的?，F(xiàn)實(shí)是，自旋電子學(xué)是應(yīng)用科學(xué)與工程的一個(gè)成熟領(lǐng)域，也是一門迷人的純科學(xué)。

電子自旋與量子邏輯（Electron spin and quantum logic）

值得注意的是，在石墨烯自旋電子學(xué)研究之前，自旋電子學(xué)已經(jīng)是數(shù)字電子技術(shù)方面的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

自旋可看作是繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的電子，具有內(nèi)在角動(dòng)量，可從上或下兩個(gè)方向檢測(cè)到磁場(chǎng)。結(jié)合這些磁取向和二進(jìn)制邏輯的開(kāi)/關(guān)電流狀態(tài)，可獲得一個(gè)四狀態(tài)系統(tǒng)，兩個(gè)磁取向形成一個(gè)量子比特（quantum bit, or qubit）

計(jì)算機(jī)技術(shù)方面，相比于兩狀態(tài)，四狀態(tài)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，提高處理能力和存儲(chǔ)密度，增加存儲(chǔ)容量。電子自旋為存儲(chǔ)及操縱信息提供一個(gè)額外自由度。

現(xiàn)代磁硬盤的讀取頭采用與自旋相關(guān)的巨磁阻（Giant Magnetoresistance，GMR）和隧道磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）效應(yīng)。GMR器件由分隔開(kāi)的兩層以上鐵磁材料組成。當(dāng)磁性層磁化矢量平行時(shí)，電阻更低。這種裝置稱之為自旋閥。對(duì)于TMR，電子輸運(yùn)由粒子穿過(guò)絕緣的分離的鐵磁層的量子力學(xué)隧道產(chǎn)生。

在這兩種情況下，磁場(chǎng)傳感器可讀取硬盤上磁編碼的數(shù)據(jù)。磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Magnetoresistive Random Access Memory）和賽道存儲(chǔ)器（racetrack memory）這兩種計(jì)算機(jī)內(nèi)存都利用了電子自旋。

石墨烯自旋輸運(yùn)（Spin transport in graphene）

石墨烯是石墨的單層原子結(jié)構(gòu)，其室溫自旋輸運(yùn)相干擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米，是自旋電子學(xué)應(yīng)用的理想材料。石墨烯還具有高電子遷移率、可調(diào)載流子濃度等性質(zhì)。

石墨烯室溫自旋輸運(yùn)的研究可以追溯到2007年，由荷蘭格羅寧根大學(xué)（Groningen University）物理學(xué)家、歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃科學(xué)家Bart van Wees帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行。去年發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上的一篇文章表述了自旋輸運(yùn)的首次實(shí)際演示的討論，以及石墨烯自旋電子學(xué)理論和實(shí)踐的詳細(xì)技術(shù)綜述。雷根斯堡旗艦科學(xué)家（Regensburg-based flagship scientist）Jaroslav Fabian是該綜述的作者之一。

van Wees課題組的實(shí)驗(yàn)及隨后的研究表明，10%左右這種相對(duì)低的自旋注入效率可能是由于鐵磁材料與石墨烯間的電導(dǎo)失配，或者其他相關(guān)效應(yīng)引起的。采用氧化鎂薄膜作為隧道勢(shì)壘可獲得了相對(duì)高得多的效率。

還使用了其他的方法，一種方法是采用針孔交叉、透明連接絕緣層，使得鐵磁電極與石墨烯層直接接觸，還有一種方法是使用銅等無(wú)磁性材料。隧穿絕緣層的情況下，測(cè)量的磁電阻最大達(dá)到130 ohms（歐姆），相應(yīng)的自旋注入效率達(dá)到60%以上。

從小尺度的自旋輸運(yùn)研究到大面積石墨烯的研究，是石墨烯自旋電子學(xué)應(yīng)用于集成電路晶片的關(guān)鍵一步。重點(diǎn)在于懸浮石墨烯層的自旋輸運(yùn)以及沉積于六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）基底的石墨烯。隨著技術(shù)的發(fā)展，獲得了更長(zhǎng)的自旋長(zhǎng)度及壽命，后續(xù)文章將討論石墨烯-hBN異質(zhì)結(jié)的實(shí)例。

使石墨烯磁化（Making graphene magnetic）

要在強(qiáng)反磁性的石墨烯中產(chǎn)生磁有序是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。然而，如果要將石墨烯應(yīng)用于自旋電子學(xué)領(lǐng)域，誘導(dǎo)磁矩是至關(guān)重要的。希望通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜或功能化可獲得可調(diào)的磁性。這可通過(guò)材料六方晶體結(jié)構(gòu)的缺陷或在其表面吸附原子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

氫化石墨烯是磁性石墨烯的基準(zhǔn)，氫原子可逆的化學(xué)吸附在石墨烯上。這造成晶格失衡，從而誘導(dǎo)磁矩。另一種是氟原子，與碳鍵合使得石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵督^緣體。與氫原子相似，氟原子可逆的化學(xué)吸附在石墨烯上。

“石墨烯是自旋電子學(xué)中很有前途的材料，其自旋特性不僅能調(diào)節(jié)，甚至可通過(guò)與原子或其他2D材料結(jié)合進(jìn)行定制。”Fabian說(shuō)，“一旦確定合適的材料，將開(kāi)啟具體的技術(shù)應(yīng)用之路。這也是完美旗艦計(jì)劃正在研究的。”

石墨烯結(jié)構(gòu)中消失的一個(gè)碳原子或空位都將產(chǎn)生自旋極化電子，由鍵上剝離四個(gè)電子，其中三個(gè)形成“懸掛”狀態(tài)。兩個(gè)懸掛鍵產(chǎn)生磁矩，但缺乏預(yù)言的π-magnetism的直接證據(jù)。

延長(zhǎng)自旋壽命（Extending spin lifetime）

最大限度的延長(zhǎng)自旋壽命是石墨烯自旋電子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵。理論預(yù)測(cè)純石墨烯的自旋壽命在1微秒左右，而實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)值在幾十皮秒到幾納秒之間。石墨烯自旋壽命只有達(dá)到納秒及以上，其自旋輸運(yùn)才應(yīng)用于實(shí)際。兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的差異是致命的，它表明自旋弛豫是外源性的，比如雜質(zhì)、缺陷或是研究中的誤差。

石墨烯自旋閥與二氧化硅基底隧道接觸，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到幾納秒的自旋壽命，但針孔連接測(cè)得的壽命遠(yuǎn)低于一納秒。接觸引起的自旋弛豫是一個(gè)關(guān)鍵因素。這可通過(guò)提高接觸質(zhì)量和是鐵磁電極間距遠(yuǎn)大于塊材石墨烯自旋相干長(zhǎng)度來(lái)縮短。

盡管已有大量的理論研究，但對(duì)于石墨烯自旋弛豫的來(lái)源仍知之甚少。有兩種機(jī)制可用于解釋實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)?；谧孕壍礼詈霞皠?dòng)量散射解釋金屬及半導(dǎo)體自旋電子的來(lái)源。自旋軌道耦合是指電子的自旋與其運(yùn)動(dòng)的相互作用，自旋與由原子核周圍電子軌道產(chǎn)生的磁場(chǎng)間的相互作用導(dǎo)致了顆粒原子能級(jí)的改變。

問(wèn)題是兩種自旋弛豫機(jī)制都不成立。兩者都預(yù)測(cè)有微秒級(jí)的壽命，但實(shí)驗(yàn)表明最大只有幾納秒。唯一與單層和雙層石墨烯實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的機(jī)制是基于由局域磁矩引起的共振散射。該模型由雷根斯堡（Regensburg）的Fabian研究小組提出。

最近的研究結(jié)果表明，電子遷移率并不是限制自旋壽命的因素，石墨烯中帶電粒子和雜質(zhì)間的散射也不是自旋弛豫的主要影響因素。也就是說(shuō)，確定自旋弛豫的主要來(lái)源對(duì)石墨烯研究人員來(lái)講仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。確定石墨烯自旋弛豫的來(lái)源將有助于提高其自旋壽命，甚至達(dá)到理論極限，這對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用都具有重要的意義。

未來(lái)發(fā)展方向（Future directions）

發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）的綜述在結(jié)論中指出，Fabian及其同事認(rèn)為利用自旋，石墨烯自旋轉(zhuǎn)移力矩的邏輯器件可用于信息處理。目前，自旋邏輯器件是國(guó)際搬到圖技術(shù)路線（International Technology Roadmap for Semiconductors）的組成部分，以期應(yīng)用于未來(lái)計(jì)算機(jī)。

自旋邏輯器件包括可擦寫芯片、晶體管、邏輯門、磁傳感器以及用于量子計(jì)算的半導(dǎo)體納米顆粒。最近發(fā)表的“石墨烯、相關(guān)二維晶體及其雜化體系的科學(xué)技術(shù)路線圖”（"Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems."）討論了以上那些應(yīng)用以及其他石墨烯基自旋電子學(xué)應(yīng)用。該路線圖由歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃（Europe's Graphene Flagship）框架提出，歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃是由歐洲委員會(huì)（European Commission）資助的一個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)/工業(yè)組織，致力于石墨烯及其他層狀材料的研發(fā)。

自旋電子學(xué)是一個(gè)相對(duì)年輕的研究領(lǐng)域，但近年來(lái)在石墨烯及相關(guān)材料長(zhǎng)自旋壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。石墨烯旗艦計(jì)劃的研究人員處于這一世界性研究的核心。

新材料在線編譯整理——翻譯：菠菜     校正：摩天輪