再旋轉我沒關係!自旋電子如何影響身邊的物質?

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自旋是電子的一種特性,也可以對物質造成磁性。自旋的控制可以讓電子元件的應用更加多元化,與以往電子充放電為基礎的電子元件不同,當具有磁性的物質與非磁性的物質接觸時,它們能夠互相影響並產生各種不同的物理特性,就像群體影響個人的行為,這個特性稱為「磁鄰近效應」。這樣的特性目前正被廣泛研究以及應用於磁性記憶體中。

撰文|黃鼎鈞

 
圖1: 電子自旋示意圖。電子圍繞著原子核轉動,同時具有不同的自轉方向|來源:由Microsoft Bing AI產生,作者提供

自旋是電子特性中一個有趣的物理概念,用來描述電子在空間中的自轉。若將電子視為一個陀螺,它在地面上轉動的同時有一個自轉的方向,可能是順時針或逆時針。同樣地,當一個電子在原子中運動也有一個自轉的方向,這個行為被稱為自旋,這個方向可以是向上或向下(Spin up 或 Spin down)。然而,電子的自旋並不是真正的物理性學旋轉,而是一個出自量子力學的概念,能幫助我們更好地理解電子行為。宏觀來看,如果一個物質中的向上自旋和向下自旋數量不相等,就會導致物質產生磁性行為。此外,若將外加磁場施加在磁性材料中,可以使磁性行為更為顯著。這樣的特性目前正被廣泛研究和應用於磁性記憶體中,這領域被稱為「自旋電子學」。

根據以上的概念,物質可以分為磁性和非磁性。當磁性物質和非磁性物質靠得很近時,會發生什麼呢?

比喻這概念的話有點類似近朱者赤、近墨者黑,磁性物質與非磁性物質就像人跟人之間的互動,團體會相互影響個人的表現,例如:身邊如果有許多喜歡打扮的人,即便自己沒有打扮習慣,可能都會被影響而開始打扮。磁性物質就像是身邊許多擅長打扮的人,會使得非磁性物質也具備磁性。這種物質之間的相互影響稱為「磁鄰近效應(Magnetic proximity effect)」。

 

圖2 :當磁性物質與非磁性物質接近時,在兩物質中的原子將引起交互作用|來源:由Microsoft Bing AI產生,作者提供

磁鄰近效應的產生主要有以下機制:

  1. 磁性材料中的電子自旋通常是排列有序的,當磁性材料與非磁性材料接觸時,磁場可以滲透進入非磁性材料使其產生磁疇。換句話說,非磁性材料的電子自旋,會試圖對齊磁性材料的自旋方向。
  2. 另一種機制是,當電子在磁性與非磁性物質的交界處發生散射,不同物質的接面勢必會對電子流通造成阻礙,這會使電子將自己的自旋狀態傳遞給另一處的電子,使得非磁性物質中的自旋數量不對等,產生磁性。

除了將非磁性物質變成磁性物質,不同的交互作用還可以創建出具有特定物理性質的材料,如:同時具有高磁性和高導電性的材料,這些材料可以應用於新型電子設備中。

石墨稀是一種近年來大量報導的新型二維材料,由一層碳原子所構成的蜂巢狀結構組成。許多研究顯示,石墨稀具有比銅更高的導電率(請參考:市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?)。一般材料科學家認為,石墨稀呈現非磁性金屬的特性。

然而,近年來的研究指出,透過磁鄰近效應可以將石墨稀極化,使石墨稀表現出具有自旋特徵的磁性特性。鐵、鈷、鑷等是典型的磁性材料。以鈷金屬置於石墨稀上面為例,具有自旋特徵的電子會被鈷金屬極化,使得帶有自旋特徵的電子流從左邊流向右邊的鈷金屬。

透過材料的組合加上磁鄰近效應,可以製作出一套同時具備傳統的電子傳輸及自旋特性的電子元件,這樣在設計電子元件時就會有更多操作上的自由度,使得電子元件更具多樣性。舉例來說,在IC設計上,充放電可以被當作0和1的記憶單元。如果配合自旋的極化以及非極化,或許可以創造出0、1、2及3四個位元來作為記憶體的基礎。

圖3:具磁性的鈷金屬能引起石墨稀中的電子帶有自旋,並在其中傳遞|來源:作者提供

 

除了磁性物質影響非磁性物質外,反過來也有非磁性物質影響磁性物質的研究。二氧化釩(VO2)是一種隨著溫度改變結構的物質,在室溫下表現為非磁性金屬特性,但當溫度下降至180 K時則會變成絕緣體。當二氧化釩與具有磁性的鑷(Nickel)結合時,隨著二氧化釩的結構變化,鑷金屬的矯頑力也將會改變。當二氧化釩為金屬時,矯頑力較低(約50 Oe),而當二氧化釩為絕緣體時,矯頑力則較高(約125 Oe)。

值得一提的是,當二氧化釩介於金屬和絕緣體的轉換狀態時,可以使鑷金屬擁有超過200 Oe的矯頑力。磁性矯頑力是指一個磁性材料在被磁化時需要克服其原有磁矩方向的阻力大小,也就是抵抗磁場變化的能力。在磁性材料的應用上,磁性矯頑力是一個重要的參數,例如用於磁記錄媒介的磁性材料必須擁有足夠的磁性矯頑力才能夠保持磁場方向不受外部干擾。有關更多磁性矯頑力的內容,可以參考以下文章:磁鐵有性格?認識「磁滯曲線」

磁鄰近效應為材料開發帶來更多應用可能,結合不同的材料能夠挖掘更多的潛力,並帶來更多元的物理特性,進一步推動科技的發展。隨著科學家不斷的探索,相信不久的將來,磁性將為電子產品帶來全新的使用體驗。

 


參考資料

  1. Karpiak, B., Cummings, A. W., Zollner, K., Vila, M., Khokhriakov, D., Hoque, M. A., Dankert, A., Svedlindh, P., Fabian, J., Roche, S., & Dash, S. P. (2020). Magnetic proximity in a van der Waals heterostructure of magnetic insulator and graphene. 2D Materials, 7(1), 015026. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab5915
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  3. De La Venta, J., Wang, S., Saerbeck, T., Ramírez, J., Valmianski, I., & Schuller, I. K. (2014). Coercivity enhancement in V2O3/Ni bilayers driven by nanoscale phase coexistence. Applied Physics Letters, 104(6), 062410. https://doi.org/10.1063/1.4865587
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