1839年德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯乌拉尔山脉的山坡上，捡起一块以前未被发现的矿物。他从未听说过晶体管或二极管，也对传统电子产品如何成为我们日常生活中不可或缺的一部分没有任何概念住。他无法预料到手里拿着的岩石，可能是我们所知道的革新电子产品的关键。他称之为“钙钛矿”。
2017年，犹他大学的物理学家Valy Vardeny称，钙钛矿是新兴的下一代电子学领域，称为自旋电子学的一种“奇迹材料”，他坚持这一主张。今天发表在《自然通信》期刊上的一篇论文中，Vardeny与Jingying Wang、Dali
Sun（现在北卡罗来纳州立大学）及其同事展示了两种使用钙钛矿制造的器件，以展示该材料在自旋电子系统中的潜力。Vardeny说，它的特性使自旋电子晶体管的梦想更接近现实。
自旋电子学
传统的数字电子系统通过导线中的电子脉冲传送二进制信号（1和0）。自旋电子学可以通过电子的另一个特征，电子的自旋方向（向上或向下）传递附加的信息。自旋与磁性有关。因此，自旋电子学使用磁力来对准某个自旋电子，或者将“自旋”注入系统。
如果你做过一个古老的科学实验，就是沿着磁铁的长度方向反复拖动磁铁从而将钉子变成磁铁，那么你已经涉足了自旋电子学。磁铁将信息传递给钉子。然后关键是传输和操纵该信息，这需要具有精细调整性能的器件和材料。研究人员正在努力实现自旋晶体管的里程碑成果，自旋晶体管是几乎所有现代电子产品中的电子元件的自旋电子学版本。这种器件需要一种半导体材料，在该材料中磁场可以容易地控制电子的自旋—这被称为自旋-轨道耦合特性。Wang说，建造这样的晶体管并不容易。我们一直在寻找新的材料，看它们是否更适合这个目的。这是钙钛矿发挥作用的地方。
钙钛矿
钙钛矿是一类具有特定原子结构的矿物。作为一种技术材料，它们的价值在过去十年中才变得明显。由于具有这种原子结构，研究人员一直在开发钙钛矿成为制造太阳电池板的材料。到2018年，该材料实现了高达23％的太阳能光电转换效率——比2009年3.8％的转换效率大幅提升。
与此同时，Vardeny和他的同事正在探索自旋电子学和各种可更有效的传递电子自旋的材料的可能性。由于钙钛矿中的铅原子含量很高，物理学家预测这种矿物可能具有强烈的自旋-轨道耦合作用。在2017年的一篇论文中，Vardeny和物理学助理教授Sarah Li表明，一类称为有机-无机杂化钙钛矿的材料确实具有较大的自旋-轨道耦合作用。而且，杂化钙钛矿材料中的自旋寿命时间相对长。这两个结果表明，这种混合钙钛矿有望作为自旋电子学材料。
两个自旋电子器件
Vardeny和Wang最近完成的工作的下一步是将混合钙钛矿与自旋电子器件结合，第一种器件是自旋电子发光二极管或LED。传统LED中的半导体包含原子中的电子和空穴，即原子中本该存在电子但实际缺失电子的位置。当电子流过二极管时，电子填充空穴位置并发光。
Wang表示，自旋电子发光二极管的工作方式大致相同，但采用磁电极，电子空穴极化以适应某种自旋电子。Wang说，LED通过一定的极化电致发光而发亮，表明磁电极成功地将自旋极化电子转移到材料中。
Vardeny补充道，如果把一个半导体和一个铁磁体放在一起就可以进行自旋注入，这是不言自明的，但你必须证明这一点。他们证明了这一点。
第二个器件是自旋阀，类似器件已经存在并且用于诸如计算机硬盘驱动器之类的设备中。在自旋阀中，外部磁场在开启的低电阻状态和闭合的高电阻状态之间翻转阀中磁性材料的极性。
Wang和Vardeny的自旋阀做得更多。使用混合钙钛矿作为器件材料，研究人员可以将自旋注入器件，然后使用磁性操作使自旋在器件内前进或摆动。
研究人员表示，这是一个大问题。Wang说，你可以开发不仅对记录信息和数据存储有用的自旋电子学，还可用于计算，这是人们开始研究自旋电子学的最初目标，而这也正是我们努力的目标。
总之，这些实验表明钙钛矿用作自旋电子半导体。实现自旋晶体管的最终目标仍然尚未实现，但这项研究为未来的发展奠定了重要的基础。
Vardeny说，我们所做的就是证明人们认为的钙钛矿在自旋电子学的可能性实际发生了，这是一大步。（工业和信息化部电子第一研究所 张慧）
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