2014年4月7日 星期一

自旋電子學 (spintronics)

一個電子基本上有兩個特性:電荷及自旋 (spin) [1]。過去的微電子學都是利用電子的電荷來傳遞、儲存訊息。電子自旋的特性沒有被充份利用是因為自旋流 (spin current) 不是守恆量,比較難以利用它來傳遞、儲存訊息。隨著物理學的進展,現在對自旋的暸解及掌握較精確,其技術已開始被應用到電子設備,包括磁碟的讀取利用巨磁阻 (GMR; Giant Magneto Resistance) [2] 大幅提高其儲存密度 (自九O年代中開始量產)、利用 AMR (Anisotropic Magneto Resistance) [3]GMRTMR (Tunnel Magneto Resistance) [4] 來設計、製造手機及未來所有行動裝置必備的磁阻感應器 (magneto resistance sensor) [5] (現在台灣已有公司開始進入量產階段) 以及在未來數年內會進入量產的 MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory) (主要是利用 TMR) [6] 等。注意以上的電子裝置基本上在裝置內利用自旋來儲存、操作,裝置外仍轉換成電荷訊號傳輸。這是自旋電子學第一階段實現的應用。

2006年,在自旋電子學的領域發現了一種新的材料拓樸絕緣體 (topological insulator),材料本身中心是絕緣體,但其表面容許有導電態 (conduction state) 。此導電態一個最有用的特性是電子的動量與自旋維持一定方向關係 (spin-momentum locking) [7],且不會因雜質散射而改變方向,這使得以自旋來傳遞訊息成為可行。

自此發現後拓樸絕緣體被考慮用來被整合入積體電路甚或取代現有以半導體為主的積體電路。其主要優點是其自旋電晶體 (spin transistor) [8] 在轉換狀態時能量極低,因為由電壓產生磁場改變自旋方向所需能量極低;而自旋流在拓樸絕緣體上傳導也無焦耳效應 [9],能耗極低。此二特性可以有效解決目前以半導體為主的微電子線路之能耗及散熱問題。至於拓樸絕緣體可以到達的臨界尺度,理論計算相信自旋傳導線可以到達至少 5nm 以下。新的材質的搜尋以及技術方法有機會進一步壓縮其臨界尺度。

拓樸絕緣體的另一應用是量子計算 (quantum computation) [10] ,此一領域為高速計算的前瞻方向。量子計算機在解決非多項式問題 (non-polynomial problem) [11] 極有效率,此產品已有原型機販賣 [12]

由於此領域的發展有高度的潛力,而且可能改變微電子產業的設計與製造,是產業方向大轉彎的變化,各國無不投入大量資源戮力以赴。目前積極投入國家包括美國、日本、德國、法國、韓國、大陸以及新加坡。日本於313才舉辦過以拓樸絕緣體來設計、製造積體微電子裝置的會議,而新加坡正在籌設自旋電子學中心,三星與韓國大學以及德國研究機構有長期合作。大陸更把此項目列為科研重點,清華大學副校長、北大物理學院院長等都由自旋電子學的專家出任,其給予的資源勝於各國。由於在半導體技術大陸目前稍落後,追趕困難,目前的戰略是從新的技術一舉超前。在拓樸絕緣體此一領域,估計其發表量占世界約 1/5

台灣企業本質都是中小企業,有限的研發經費只能用在短期的新產品開發。對於中長期的科技研發,雖然有心,卻無力投資多項領域。而此正是許多企業在產業有方向性的技術轉變時遭遇滅頂的原因,譬如 flash 之於 DRAM 製造業。比較合理的做法是產業結合學術界及政府的力量,利用共同研發平台,共同投入中長期科學及技術的研發。自旋電子學有立即的應用,也有未來可能的改變產業方向的潛力。這是一個風險較低而可能有巨大成效的領域,產業和學界應認真考慮攜手長期共同合作的可能。

References:

沒有留言:

張貼留言