用于自旋-极化的电流-自旋转换和放大的非线性自旋-轨道相互作用装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术特别针对自旋‑轨道耦合装置。该设备包括一个限制部分。它还包括具有输入装置的电路，其可激励以将自旋极化注入到限制部分的输入区域中的电荷载流子。该电路还包括输出装置，其可用于检测限制部分的输出区域中的电荷载流子的自旋极化。限制部分可以被配置为使其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋‑轨道相互作用，这导致漂移电荷载流子的自旋极化旋转非线性取决于这种电荷载流子的动量的角度。该电路可以被配置为允许在限制部分中漂移的电荷载流子的动量被改变，同时在输入区域中注入自旋极化。由于所述非线性自旋‑轨道相互作用，变化的动量允许漂移电荷载体的自旋极化旋转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自旋-极化的电流-自旋转换和放大的非线性自旋-轨道相互作用装置和方法
技术介绍
本专利技术一般涉及自旋电子学领域。特别涉及依靠非线性自旋-轨道相互作用来实现诸如电流-自旋转换和放大自旋极化等功能的装置和方法。自旋电子学是一个电子学领域，除电荷以外还使用电荷载流子(chargecarrier)的自旋动量来产生或处理信号。信号可以通过通信，存储，传感或逻辑应用进行处理。已经提出了许多基于电子自旋的概念。具体而言，已经提出了旋转装置，其包括衬底之上的自旋传输层(或STL)。连接到STL的是输入和输出电极。输入电极作为自旋注入触点，由一个磁化材料组成，该磁性材料被磁化为两个可能方向之一(自旋向上/向下)。通过在输入电极和STL之间传递电流，自旋极化电子可以在输入电极和STL之间的界面处的STL中累积。STL中该位置处电子的自旋极化与输入电极的磁化直接相关，即STL中的自旋也是向上或向下。输出电极在STL和输出电极之间的界面处转换局部自旋极化。自旋极化可以例如被转换成电信号。充当自旋注入和自旋检测触点的输入和输出电极的概念是众所周知的。在输入和输出电极之间，由输入电极印刻的自旋极化通过扩散或漂移而传播。另外，已知使用多数逻辑概念的逻辑门，其中几个输入电极使STL中的电子自旋极化，并且输出电极检测从那些输入电极扩散到输出电极的平均自旋极化。可以认识到，电荷载流子的自旋可以在铁磁材料和能够实现自旋轨道相互作用的材料中被操纵。虽然基于铁磁材料的器件在当今的
已经很成熟，但自旋轨道耦合系统仍然缺乏一些基本功能。
技术实现思路
根据第一方面，提供了用于自旋-轨道耦合装置的实施例。该器件包括一个限制部分，用于限制在其中漂移的电荷载体(电子或空穴)。它还配备有电路，该电路包括输入装置，该输入装置可激励以将自旋极化注入限制部分的输入区域中的载流子。该电路还包括输出装置，其可用于检测限制部分的输出区域中的电荷载流子的自旋极化。在一个实施例中，限制部分被配置成使其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋轨道相互作用，这导致漂移电荷载流子的自旋极化旋转非线性取决于这种电荷载流子的动量的角度。在另一个实施例中，电路被配置成允许在限制部分中漂移的电荷载流子的动量被改变，同时在输入区域中注入自旋极化。由于所述非线性自旋-轨道相互作用，改变迁移载流子的动量允许它们的自旋极化旋转。实施例提供将电流(即，与漂移电荷载流子的动量相关联的电流)转换成期望的自旋极化。在一个实施例中，设想了立方自旋-轨道相互作用，由此与非线性自旋-轨道相互作用相关的能量取决于电荷载流子的动量的三次幂。在一个实施例中，在限制部分上施加电压，以使与电荷载流子动量相关联的电流根据该电压而变化。例如可以通过漏极接触件和铁磁接触件在限制部分上施加电压，每个电极与限制部分电连通。根据另一方面，提供了用于自旋-放大系统的实施例。该系统包括如上所述的自旋-轨道耦合器件和自旋电子器件。所述自旋电子器件被配置为获得在其输出区域中具有给定自旋极化的电荷载流子。自旋轨道耦合器件的电路还可以包括将自旋电子器件耦合到自旋轨道耦合器件的输入区域的自旋-电流转换器，使得自旋极化可以根据基于在自旋电子器件的输出区域中可获得的电荷载流子的自旋极化由自旋-电流转换器产生的电流，能够被注入该输入区域。实施例提供电路来放大自旋极化，其在自旋电子器件的输出区域中可获得的相对于电荷载流子的自旋极化的输出区域中可检测的。在一个实施例中，可以提供自旋-轨道耦合器件，使得电荷载流子的自旋极化是与电荷载流子在限制部分中漂移的动量相关联的电流的振荡函数。通过利用函数的线性状态，放大的自旋极化可以线性地依赖于与漂移载流子相关的电流。在其他实施例中，提供了上述振荡函数的非线性状态的利用。在该实施例中，自旋电子器件的输出区域中自旋极化的不同值导致自旋极化的基本相同的放大值。这提供了对诸如多数逻辑器件的一些实施例的改进。根据另一个实施例，提供了一种如上所述的用于旋转自旋-轨道耦合装置中的自旋极化的方法。它可以进一步体现为使用如上所述的系统来放大自旋极化的方法。由于非线性自旋轨道相互作用，在限制部分漂移的电荷载流子的动量是变化的(同时在器件的输入区域注入自旋极化)，以便旋转漂移电荷载流子的自旋极化。如上所述，这种方法提供电流-自旋转换或自旋扩增。附加的特征和优点通过本专利技术的技术来实现。本文详细描述了本专利技术的其他实施例和方面，并将其视为要求保护的本专利技术的一部分。为了更好地理解具有优点和特征的本专利技术，参考说明书和附图。附图说明被认为是本专利技术的主题在说明书结尾处的权利要求书中被特别指出并清楚地要求保护。从以下结合附图的详细描述中，本专利技术的上述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：图1示出了根据实施例的用于电流-自旋转换的自旋-轨道耦合器件的3D视图；图2描绘了根据实施例的图1的装置的2D横截面图(示出了关于该装置的限制部分的更多细节)。图3描绘了根据实施例的其中自旋电子器件耦合到如图1所示的自旋-轨道耦合器件的系统的3D视图，以允许自旋放大，；图4描绘了根据实施例的包括耦合在自旋-轨道耦合装置的输出中的另一自旋电子器件的另一系统的3D视图；图5描述了根据一些实施例的一个曲线图，说明在理想情况下(普通线，假设没有扩散)和考虑到自旋扩散(虚线)的自旋极化(沿装置主方向投影)的幅度对漂移速度的理论依赖性；图6描绘了根据一些实施例的自旋极化的幅度对漂移电荷载流子相关联的电流的理论依赖性；图7描绘了根据一些实施例示出自旋-轨道耦合器件的输出区域中可检测的自旋极化的幅度与自旋极化的幅度之间的近似线性相关性的曲线图，其中自旋极化的幅度可以在与其耦合的自旋电子器件的输出中获得，如图3的系统，以便能够进行线性放大)；和图8描绘了示出自旋极化的幅度对电阻率的理论依赖性以及在多数逻辑应用中如何利用这种函数的非线性行为的图。根据一些实施例，虚线标示由耦合到自旋-轨道耦合装置的多数逻辑装置启用的多数逻辑操作的四种可能结果(如在图3的配置中那样))。具体实施方式以下描述的结构如下：首先描述一般实施例和高级变体。下一节讨论更具体的实施例和技术实现细节。一般实施例和高级变体参照图1～4首先描述一个涉及自旋-轨道耦合装置100的实施例。注意，“自旋-轨道耦合装置”与“自旋-轨道相互作用装置”同义，即能够实现自旋-轨道相互作用的装置。该装置100包括限制部分8，该限制部分8被设计成限制可能在其中漂移的电荷载流子。目前的设备可能依赖于电子动力学。在其他实施例中，电荷载流子可以是空穴，因为在孔系统中也发生非线性自旋-轨道相互作用。限制部分8还包括电路1,4。该电路尤其包括输入设备1，该输入设备1可以被激励以将自旋极化2注入限制部分8的输入区域10中的电荷载流子。该电路1,4还包括输出装置4，该输出装置4可以特别地用于检测限制部分8的输出区域40中的电荷载流子的自旋极化。通常提供输出装置4以便检测平均自旋极化6。典型地所检测到的是自旋极化在漏极触点40的磁化矢量(z轴)上的投影(“SZout”)。在此处值得注意的是，限制部分8被配置成使其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋-轨道相互作用。如本文所解释的，非线性自旋-轨道相互作用将使得漂移电荷载流子的自旋极化旋转一个非线性地依赖于电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋‑轨道耦合装置，包括：限制部分；和一个电路，后者包括：输入装置，可激励以将自旋极化注入限制部分的输入区域中的电荷载流子；和输出装置，其被配置为检测所述限制部分的输出区域中的电荷载流子的自旋极化，并且其中，所述限制部分被配置成使其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋‑轨道相互作用，其导致漂移电荷载流子的自旋极化以非线性地取决于所述电荷载流子的动量的角度旋转；和该电路被配置为允许在限制部分中漂移的电荷载流子的动量被改变，同时在输入区域中注入自旋极化，以便由于线性自旋轨道相互作用而旋转在限制部分中漂移的电荷载流子的自旋极化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.11 US 14/966,4111.一种自旋-轨道耦合装置，包括：限制部分；和一个电路，后者包括：输入装置，可激励以将自旋极化注入限制部分的输入区域中的电荷载流子；和输出装置，其被配置为检测所述限制部分的输出区域中的电荷载流子的自旋极化，并且其中，所述限制部分被配置成使其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋-轨道相互作用，其导致漂移电荷载流子的自旋极化以非线性地取决于所述电荷载流子的动量的角度旋转；和该电路被配置为允许在限制部分中漂移的电荷载流子的动量被改变，同时在输入区域中注入自旋极化，以便由于线性自旋轨道相互作用而旋转在限制部分中漂移的电荷载流子的自旋极化。2.根据权利要求1所述的自旋-轨道耦合装置，其中所述限制部分被配置成使得在其中漂移的电荷载流子经历立方自旋轨道相互作用，由此相互作用的能量取决于所述电荷载流子的动量的第三幂。3.根据权利要求1-2之一所述的旋转-轨道耦合装置，其中所述输入装置包括与所述限制部分电连通的铁磁触点。4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转-轨道耦合装置，其中所述电路被配置为在所述限制部分上施加电压，以便与在所述限制部分中漂移的电荷载流子的动量相关联的电流根据通过电路施加的所述电压而改变。5.根据权利要求1-4之一所述的旋转-轨道耦合装置，其中：所述输入装置包括与限制部分电连通的铁磁触点；和所述输出装置包括与所述限制部分电连通的漏极触点，所述电路经配置以经由所述漏极触点和所述铁磁触点在所述限制部分上施加电压。6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转轨道耦合装置，其中所述限制部分包括限制层，所述限制层被配置为基本在二维区域内限制电荷载流子。7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转-轨道耦合装置，其中，所述限制部分包括非磁性半导体层。8.一种自旋扩增系统，包括：根据权利要求1-7中任一项所述的自旋-轨道耦合装置；和自旋电子器件，其被配置用于获得在其输出区域中具有给定自旋极化的电荷载流子，并且其中：该电路包括将自旋电子器件耦合到自旋-轨道耦合器件的输入区域的自旋-电流转换器，使得自旋极化可以根据基于在自旋电子器件的输出区域中可获得的电荷载流子的自旋极化而由自旋-电流转换器所产生的电流被注入输入区域；和该电路进一步被配置为根据在自旋电子器件的输出区域中可获得的电荷载流子的自旋极化放大在该输出区域中可检测的自旋极化。9.根据权利要求8所述的自旋-放大系统，其中，所述自旋-电流转换器包括自旋敏感电阻，所述被自旋敏感电阻被布置成用于所述自旋-电流转换器将在自旋电子器件的输出区域中可获得的电荷载流子的自旋极化转换成电流。10.根据权利要求9所述的自旋-放大系统，其中，所述自旋-电流转换器包括半导体层和铁磁接触层，所述自旋灵敏电阻由所述半导体层和所述铁磁接触层之间的界面形成。11.根据权利要求8-10之一所述的自旋-放大系统，其中：自旋轨道耦合器件被配置为提供在自...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·B·奥尔特曼，G·R·萨利斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US