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法国国家实验室的科学家们利用短磁场脉冲,成功地达成将磁性材料中的电子自旋在一百亿分之一秒的时间内改变方向.这个结果为使用磁性材料制成的随机存取记忆体(RAM),提供了突破性的发展.
电子的自旋,一直是科学家们想要研究并掌握的一个量子物理现象.其可能的应用,从自旋电晶体、量子运算或量子电脑、到生物医学成像术,都是热门的研究项目.此外,使用磁性材料作成的随机存取记忆体(magnetic random access memory, MRAM) ,近年来因材料合成技术的进步,也逐渐地受到重视.
MRAM的操作原理,基本上与传统的RAM相似.只是在传统RAM中,是利用电荷的储存与否作为资料的存取；而在MRAM中,则是以电子自旋方向有无改变,来代表资料的读写.例如,若定义电子自旋向上(或与外加磁场方向平行) 为含有资料,即位元中的” 1“,那麼当电子电子自旋受外加磁场影响而变成向下时,即代表资料被消去,所读到的位元是“0”.
这个原理,看似简单(目前的硬碟即是根据类似的原理而制成) ,但是要达到RAM的使用标准,还有一项最重要的要求：自旋改变的速度要够快.事实上,要在极短的时间内改变电子的自旋方向,可没有那麼容易.原来,当电子自旋受到外加磁场影响时,它必须经过径动(precession) 的过程,才能达成方向的改变.而正是这个precession的过程,使得自旋的反应速率受到限制.而在法国国家实验室的H. W. Schumacher与其研究小组,针对这个问题,使用了新的方法,达成能在极短的时间内完成电子子旋的改变.
Schumacher等人,首先制造了一个由Ta/NiFe/MnIr/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/Ta等磁性与非磁性材料组成的自旋开关(spin valve)结构.然后藉著将电流脉冲注入在元件表面的波导线,在元件中产生磁场脉冲来达成改变自旋方向的目的.而电子自旋的改变与否与速率,则由测量元件的磁组变化来决定.在他们的实验中,他们采用了不同时间长短及强度的脉冲磁场,来观察其元件的反应.
这个实验与众不同的地方,在於施加磁场脉冲的方式.如前面所述,自旋的改变会受precession的影响.根据Schumacher等人的计算,当自旋受磁场脉冲而产生precession时,由於元件结构的关系,会有一个逆磁场产生.径动中的自旋受到这个逆磁场的影响,会加速改变其方向.他们在实验中,便一边逐渐施加磁场,一边观察何时自旋方向的改变能达到180度.他们发现,使用强度为195高斯、140ps的脉冲,可以有效并重复地达成电子自旋的改变.并且,自旋的改变速率,能够跟得上外加磁场的频率.此外,他们也发现,使用长短为165ps、配合强度仅81高斯的脉冲,就可有效地达成上述的结果.而165ps的反应时间,更是接近理论所预测自旋反应时间的极限.
Schumacher与其研究小组的研究结果,突破了技术上的限制,不仅达成了在极短的时间内改变电子自旋的目标,也为研究电子自旋应用的科学家们,提供了一个新的实验方向.
