硅中自旋输运的电子测量与控制

电子自旋寿命和扩散长度是定义自旋电子器件和电路中相干尺度的输运参数。由于这些参数在半导体中比在金属中大许多个数量级，半导体可能最适合自旋电子学。迄今为止，自旋输运仅在直接带隙半导体中或与磁性半导体结合时被测量，排除了具有间接带隙的广泛非磁性半导体。这一组中最值得注意的是硅（Si），它（除了在电子学中的市场主导地位外）长期以来一直被预测为一种优越的自旋电子学半导体，由于低自旋轨道散射和晶格反演对称性，其具有增强的寿命和扩散长度。尽管其前景令人兴奋，但硅中相干自旋输运的演示仍然难以实现，因为大多数实验集中在磁阻器件上；这些方法因普遍的阻抗失配障碍而失败，并被洛伦兹磁阻和霍尔效应所掩盖。在这里，我们通过使用依赖于自旋的弹道热电子过滤穿过铁磁薄膜进行自旋注入和探测，演示了在10微米未掺杂硅上的导带自旋输运。基于非磁阻的热电子自旋注入和探测避免了阻抗失配问题，并防止了寄生效应的干扰。因此，干净的集电极电流显示了自旋进动的独立磁和电控制，并证实了硅导带中的自旋相干漂移。