本发明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
技术领域：
已经很成熟，但自旋轨道耦合系统仍然缺乏一些基本功能。技术实现要素：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发明的技术来实现。本文详细描述了本发明的其他实施例和方面，并将其视为要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解具有优点和特征的本发明，参考说明书和附图。附图说明被认为是本发明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，本发明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荷载流子的动量的角度。此外，电路1,4被配置为允许改变在约束部分8中漂移的电荷载流子的动量，同时在输入区域10中注入自旋极化。结果，漂移电荷载流子的自旋极化可以根据不同的力矩旋转，并且由此依靠非线性自旋-轨道相互作用的性质来旋转。因此，上述装置允许沿着方向z将电流(与漂移电荷载流子的动量相关联)转换成期望的自旋极化方向，例如电荷载流子的正自旋极化或负自旋极化。自旋-轨道耦合装置100的输出区域40处的自旋极化状态的大小可以通过适当地改变载流子动量来改变。换句话说，本方法依赖于在非线性(例如，立方体)自旋-轨道耦合系统中漂移的电荷载流子，以将由于漂移电荷载流子而产生的电流转换为期望的自旋极化状态，由此输出自旋的方向和大小可以变化。例如，自旋极化可以通过简单地在限制部分8上施加电压而改变，以便改变限制部分所经受的电位(例如，电压可以从0v改变到约45mv)。所需电压可以通过上述电路1，4施加。与在限制部分8中漂移的电荷载流子的动量相关联的电流因此将根据经由电路1，4施加的电压v而变化。在实施例中，电路被设置为固定工作点，即电压(一旦施加)保持恒定的地方。在变型中，电路进一步被配置为允许所施加的电压被改变，使其能够适应/优化工作点。在每种情况下，电荷载流子所经历的电压都会改变。在这方面，要注意的是，通常需要改变电压(以及因此通过通道的电流)，以改变输出中的自旋极化。然而，在与自旋放大器有关的其他实施例中(这里参考图3和7描述)，电压(一旦施加)不需要进一步改变。而且，由于自旋相关电阻的变化，流经沟道8的电流有效地变化。所有上述实施例都利用了这样的事实，即电荷载流子在限制部分8中漂移的力矩可以改变。请注意，器件是已知的，可以将自旋极化转换为电流信号，如引言所述。然而，目前的器件实现了相反的转换概念(即电流-自旋转换)，迄今尚未证明。本文的实施例的主要物理效应(自旋极化对电荷载流子动量的非线性依赖性)不应与自旋霍尔效应混淆，其产生与电流成比例的自旋极化(在载流沟道的横向侧)而不涉及自旋极化对电流的任何非线性依赖性。为了制造自旋-轨道耦合器件，需要选择合适的材料，特别是用于限制部分8。非线性自旋-轨道相互作用特别存在于具有体反转不对称性的半导体晶体中，例如具有闪锌矿结构的晶体，例如，iii-v半导体如gaas，inas，insb，gasb和alas。此外，已知其他材料类别表现出非线性，例如立方旋转-轨道相互作用，如钙钛矿和过渡金属二硫族化合物。此外，已知孔系统，其利用碰巧具有强烈的立方旋转-轨道相互作用的材料。自旋-轨道耦合装置因此可以有利地基于这样的材料或者更一般地基于展现出实质的非线性自旋轨道相互作用的任何材料来设计。此外，还有其他考虑因素发挥作用。首先，与所选材料8中的旋转轨道长度(例如旋转轨道长度的四分之一或更小)相比，输入端1和输出触点4应优选设计得较小。自旋轨道长度是自旋极化电荷载流子在旋转180度之前需要漂移的长度。另外，因为扩散减小了输出自旋极化的幅度，所以提供装置100以便尽可能地减少扩散。这可以例如通过调节准1d线(在宽度小于自旋轨道长度的横向通道中)中的电荷密度(例如，电子片密度)，温度，散射机制和约束来实现。在实施例中，限制部分8被配置为使电荷载流子在其中漂移以经历立方自旋-轨道相互作用。即，除了常数项和线性项之外，自旋-轨道相互作用能还主要取决于电荷载流子的动量的三次方。例如，由于自旋轨道的相互作用，运动的电子会经历一个有效的磁场，电子的自旋会进入该有效的磁场。在线性自旋-轨道相互作用的情况下，相互作用能量线性依赖于电子动量。结果，以漂移速度vd从a移动到b(参见图1)的自旋的进动角(precessionangle)φ仅取决于a和b之间的分离距离l(参见图1)。也就是说，假设载流子被限制在其中的二维区域：这里，β1是线性自旋-轨道相互作用的强度，m*是有效质量，t是行进距离l所需的时间，是减小的普朗克常数。进动角φ可以通过将自旋-轨道相互作用能eso除以普朗克常数并将其乘以时间t来获得，即在线性自旋轨道相互作用情况下相反，如果自旋-轨道相互作用能是立方的(即，相互作用取决于电子动量的立方)，则自旋的进动角不仅取决于行进的距离，而且取决于速度。假设(再次)二维系统，在这种情况下，进动角φ可以写为其中ns是二维载气的片密度，γ是立方自旋-轨道相互作用的强度。如上式所示，这些参数可以包括：(i)用于限制的材料(其明显确定ns和γ，并且影响漂移速度)；装置100(其显着地确定1)的设计；和(iii)施加的电压v(其影响漂移速度vd)。请注意，一旦选择了材料，电压范围仍存在一些余地，这会影响漂移速度vd，进而影响进动角φ的非线性贡献。仍然可以提供所有上述参数(从用于限制部分8的材料的选择开始)，以便能够实现电荷载流子的漂移动量，该漂移动量是大部分(例如，10％或更多)的费米动量，为立方项(cubicterm)提供实质性贡献。在实施例中，自旋-轨道耦合装置100的输入装置1包括与限制部分8电连通(例如，接触)的铁磁触点1，如图1和2所示。合适的自旋注入可以通过光激发或通过任何自旋相关传输过程而通过自旋转移自铁磁层1进入限制层8而发生，例如在自旋相关隧穿(spin-dependenttunneling)中。然而，优选的注入机构是依赖于来自铁磁层的隧穿的机制。旋转-轨道耦合装置100的漏极触点4可以包括与限制部分8电连通的漏极触点4。电路1,4因此可以被配置为施加(并且可能改变)施加在限制部分8的漏极触点4和铁磁触点1。漏极触点4优选地位于铁磁触点1的对面，例如在限制区域8的相对端处，如图1-3所示。请注意，为简洁起见，简化了图1,3和4中的三维(3d)视图。在其他实施例中，装置可以涉及这里未示出的附加特征和部件。具体来说，如图2所示，除了衬底(未示出)之外，限制部分8可以包括一个或多个层8,87,89，其被设计用于基本上在二维区域内限制电荷载流子。载流子可以例如是电子，其可以在这样的二维区域中被描述为2d电子气体，即被限制在基本上二维区域中的电子气体(由方向y和z对向，z是装置100的主要[纵向]方向)。限制结构8可以例如包括三个或更多个半导体材料层7,8,9。电子气可以例如被限制在半导体材料的单个层8中，或者被限制在两个连续层7,8或8,9之间的界面87或89处。可以包括附加层。根据需要，层7,8,9本身可以分解成子层以实现2d电子气。在其它实施例中，电子限制层可以形成在半导体材料层与半导体，金属或绝缘材料的附加层之间的界面处，如本文更详细所讨论的。在一个实施例中，限制部分8包括一个或多个非磁性半导体层。例如，图2的实施例可以被认为仅涉及非磁性半导体层7,8和9。在实施例中，选择约束材料(例如，对于图1-3中的层8)，使得电荷载流子存在，其携带自旋并且可以在电场下经受漂移。另外，载流子在漂移时应当进行自旋旋转。自旋旋转可以通过载流子在散射事件之间而不是由散射事件本身传播来确定，使得散射事件之间的自旋旋转依赖于非在漂移速度上的直线方式。大多数闪锌矿结构的非磁性半导体满足这种要求。早期引发的其他材料也能满足这些要求。然而，可以设想除非磁性半导体层之外的其他材料，其表现出非线性自旋-轨道相互作用。由于有效的自旋注入和检测机制是已知的，所以本方法可以使用展现出实质的非线性自旋-轨道相互作用的任何合适的材料。在其他实施例中，可以设想(准)一维器件，其中电荷载流子能够沿给定方向(即，一维)漂移，而垂直于该方向的平面中的容纳(hosting)电荷载流子的材料的尺寸小于该材料的自旋轨道长度。换句话说，(准)一维系统相对于二维限制，而例如(准)二维电子气相对于垂直于二维区域的方向被限制。参照图1和2，可以提供如上所述的器件100以将电流转换成期望的自旋极化。此处讨论其他考虑因素和实施细节。另外，如现在参照图3和4所解释的，上述器件可以用于放大在自旋电子器件的输出中获得的自旋极化。在这方面，可以为自旋-放大系统200提供实施例，其中系统200包括如上所述的自旋-轨道耦合装置100。另外，系统200包括耦合到自旋-轨道耦合器件100的自旋电子器件110。自旋电子器件110被配置用于获得在其输出区域140中具有给定自旋极化szin的电荷载流子。之前参考图1和图2讨论的电路1,4，在这里，可以修改电路1,4以包括将自旋电子器件110耦合到自旋-轨道耦合器件100的输入区域10的自旋-电流转换器114,1。这样，根据由自旋-电流转换器114,1产生的电流，自旋极化2可以被注入到输入区域10中，但是基于在该耦合自旋电子装置110的输出140中获得的电荷载流子的自旋极化“szin”。此外，自旋-轨道耦合装置100的电路1,4,114可以被设置为放大自旋极化szin。例如，如在自旋轨道耦合器件100的输出区域40中可检测到的自旋极化“szout”可相应地相对于在自旋电子器件110的输出140中获得的电荷载流子的自旋极化szin进行放大。如本文所使用的，术语“放大”是指沿方向z投影的自旋极化szout的分量比自旋极化szin的分量更大(通过某个放大因子)，如沿着相同(或甚至是不同的)方向投影。为了实现这种放大，注入区域10的自旋极化sinj的大小需要大于待放大的分量szin所需的最大值。如本文所使用的，术语“幅度”还可以表示沿着特定方向投影的自旋极化的分量。szin的放大可以例如通过首先使用自旋-电流转换器114,1将自旋电子器件110的输出140中获得的电荷载流子的szin转换成电流来操作。然后，该电流被用于通过输入触点1将自旋极化sinj注入自旋-轨道耦合器件100的区域10。最后，利用自旋-轨道耦合器件100的特性，注入的自旋极化sinj可以传播到区域40，由此最初从szin转换的电流最终转换为szout。如果希望线性自旋放大(图7，在图3的上下文中)，则可以校准电路(例如通过设计或通过施加电压v)，使得对于szin＝0，我们得到szout＝0。值得注意的是，通过自旋-电流转换器114获得的电流幅度不仅取决于区域140中的自旋极化，而且取决于施加的电压v(相对于接触116处的地)。如果现在szin不等于零，则电流幅度相应地改变，由此由于非线性自旋-轨道相互作用而改变szout处自旋极化的旋转角度。结果，szout(如在输出区域40的水平处可检测的)因此可以相对于szin(如在自旋电子器件110的输出140中获得的那样)被放大。注意，即使区域40中的自旋极化典型地小于区域10中的极化，由于通过转换器114,1反复注入到区域10中的新的大自旋极化，放大也可能发生。现在更具体地参照图3，在实施例中，自旋-电流转换器114,1可以包括自旋敏感电阻114，用于将在自旋电子器件110的输出140中获得的szin转换为电流幅值。自旋敏感电阻114,1例如可以由铁磁层形成，并且特别是在半导体层和铁磁接触层之间的界面处形成。在图3所示的实施例中，自旋-电流转换器重新使用器件110的半导体层118。例如，为了效率，自旋敏感电阻114形成在器件110的半导体层118与铁磁接触层1之间的界面处。如本文所述，在一些实施例中，只有自旋幅度沿特定方向的投影是相关的。例如，该方向可以由铁磁触点1的磁化轴定义，该磁化轴可以与纵向方向z重合，如图1-4中所假设的那样。如图6所示，在自旋-轨道耦合器件100的输出区域40中可检测到的电荷载流子的自旋极化szoutt典型地是与在限制部分8中漂移的电荷载流子的动量相关的电流的振荡函数。由于szout＝sinjcos()取决于vd的事实，例如，按照前面的公式。数量sinj是指在点a处注入的自旋极化的程度。出于同样的原因，在输出区域40中可检测的自旋极化szout将是vd的振荡函数(图5)，或者仍然是振荡相关电阻率(resistivity)的函数(图8)，其中电阻率的变化基本上源自例如自旋选择性接触114。电阻率实际上与自旋相关电阻114和所有其他电阻直到漏极触点40的串联电阻相关。尽管如此，电路1,4,114可以设置成利用该振荡函数的线性状态。结果，来自自旋电子器件110的输出区域140的自旋极化szin可以被放大，以便使得到的放大的自旋极化szout基本线性地取决于与vd相关联的电流i(图6)。这在本文中更详细地讨论。在实施例中，系统200(图3)中的自旋电子器件110是基于旋转的多数逻辑器件。后者将典型地被配置用于根据作为多数逻辑器件的输入而注入的自旋极化的逻辑操作以及如本身已知的那样获得具有给定自旋极化的电荷载流子作为输出。如可以认识到的那样，可以有利地利用自旋极化szout的振荡行为并且从该函数的非线性获得优势，以便对自旋极化的不同值(如在自旋电子器件的输出140中获得的)导致在自旋-轨道耦合装置100的输出区域40中可检测到的自旋极化的基本相同的放大值。例如，如图8所示，可以提供自旋放大系统，其中电路1,4被设置为放大自旋极化的不同组值(即[-αs0/3,-αs0]和[αs0/3,αs0])，如在自旋电子器件110的输出140中可获得的，其中α是自旋极化衰减因子。请注意，在两组中的每一组中，自旋极化的值(±αs0/3,±αs0)都是不同的且具有相同的符号，而值为(-αs0/3,-αs0)的第一组的符号与第二组的值(αs0/3,αs0)相反。仍然，并且对于两组中的每一组，凭借所述振荡功能，自旋极化的不同值(如在自旋电子器件110的输出中获得的)可以导致自旋极化的基本相同的自旋极化的放大值±s0(如在装置100的输出区域40中可检测的)。即，在图8中，αs0/3和αs0分别被放大到s0，而-αs0/3and-αs0被放大到-s0。这在本文中更详细地讨论。在实施例中，自旋放大系统200的自旋电子器件110可以被配置为逻辑门。在这方面，可能期望获得级联的逻辑门(并且更一般地，级联的多数逻辑器件)，其中中间自旋极化需要被放大，这是由于本发明的实施例而变得可能的。在这方面，并且如图4所示，图3的自旋放大系统200可以通过附加自旋电子器件120增强，附加自旋电子器件120经由后者的输出设备4耦合到自旋-轨道耦合器件100。额外的自旋电子器件120也可以是基于自旋的多数逻辑器件，以获得级联的多数逻辑器件，其中自旋极化信号的中间再放大。额外的自旋电子器件120例如可以被配置为逻辑门，以便获得级联的逻辑门。根据另一方面，本发明可以体现为用于旋转(并且可能放大)自旋极化的方法。该方法利用自旋-轨道耦合装置100，例如前面参照图1和2所讨论的。参考相应的设备100和系统200已经隐含地描述了这些方法的步骤；他们只是在这里简要讨论。本质上，本方法围绕一个步骤展开，在该步骤期间，在限制部分8中漂移的电荷载流子的动量(例如，如前所述，通过电路1,4)变化，并且，同时在装置100的输入区域10中注入自旋极化。这可以通过在限制部分8上施加电压v来实现，以便改变控制限制部分8的电势的值并因此加速电子。而且，如前所述，在一些具体的实施例中，例如上面参照图3和7(在通道8中流动的电流仍然变化)所讨论的，施加的电压可以保持恒定。如之前所解释的，由于所述非线性自旋-轨道相互作用，漂移载流子的变化的动量导致电荷载流子从输入区域10行进到输出区域40的旋转自旋极化。载流子动量随着自旋注射而变化。在实施例中，本方法可以包括在输出区域40的水平处检测电荷载流子的自旋极化的步骤。可以经由输出设备4执行检测。本实施例的技术实现方面在本文中更详细地描述。如已经参照图3和4所讨论的那样，本方法的实施例利用其中自旋电子装置110耦合到自旋-轨道耦合装置100的输入区域10的系统200。根据由自旋-电流转换器114,1产生的电流，还基于在自旋电子装置110的输出140中获得的电荷载流子的自旋极化szin，自旋极化因此可以被注入到后者的输入区域10中。另外，电路1,4,114可以被设置为放大在器件100的输出40中相对于自旋极化szin可检测的自旋极化szout。具体而言，通过利用振荡自旋极化的线性状态，放大的自旋极化将基本上线性地依赖于与漂移载流子相关的电流，参见图7。相反，人们可能想要利用该函数的非线性状态，使得经由输入设备1注入的自旋极化的不同值导致在自旋-轨道耦合装置100的输出区域40中的自旋极化szout的基本相同的放大值。这在本文中更详细地讨论。已经参照附图简要描述了上述实施例，并且可以适应多种变型。可以设想上述特征的几种组合。示例在下一节中给出。电流-自旋转换实施例这里讨论的实施例允许根据电流的大小将电流转换为正或负自旋极化。如本领域技术人员可以认识到的，对于基于自旋的电子电路来说，这样的功能是期望的。此外，这个功能可以有利地在这里讨论的实施例中被利用。底层设备100(图1,2)包括二维电荷载流子系统。在这种系统中，电荷载流子(以下假设为电子)经历三次自旋-轨道相互作用，即自旋-轨道相互作用取决于电子动量的三次方。例如在使用诸如iii-v电子系统，硅和iii-v空穴系统，钙钛矿和过渡金属-二硫属元素化物的材料的实施例中。提供一个实施例以使自旋-轨道相互作用基本上取决于三次项。如果这种三次相互作用很小，则需要使触点10,40之间的距离更大。换句话说，给定一些设备尺寸，立方自旋-轨道相互作用可能足够强以达到所需的效果。相反，对于给定的立方自旋-轨道相互作用，可能需要调整器件的尺寸。在这样的器件100中，位置b处的自旋取向取决于从电子具有限定的自旋极化的点a流向点b的电流。令l为点a和点b之间的距离。由于自旋轨道的相互作用，一个运动的电子经历一个有效的磁场，电子的自旋进入该有效的磁场。在线性自旋-轨道相互作用的情况下，从a到b以漂移速度vd运动的自旋的进动角仅取决于l，如第1节所示。然而，在非线性自旋-轨道相互作用的情况下(例如，如果相互作用能取决于电子动量的立方)，则该装置可以用作电流-自旋转换器，因为进动角为旋转不仅取决于行进的距离，还取决于速度。结果，振幅szout是一个依赖于漂移速度的振荡函数。图5说明了这一点，无论是在理想情况下(普通线)还是在考虑自旋扩散时，减小幅度(虚线，数值计算)。更详细地说，根据在第1节中给出的分析公式，得到了普通线(图5,6和8)中的曲线。而虚线则由更复杂的sz幅度数值计算得出，它考虑了自旋的扩散扩展。由于扩散，从a到b行进的距离对于单个自旋而言是不同的。当在距离l处测量平均自旋振幅时，由于具有不同漂移速度的自旋的平均，该幅度减小。从图中可以看出，如图5所示，这种效应对较高的漂移速度更显着。从逻辑上看，在图6中可以看到相同的趋势，其说明幅度szout对与漂移电子相关的电流i的依赖性。进动角φ的先前公式可以重写，以显示流过系统的电流i(i＝vdensb)的依赖性，即：其中b是传输通道的宽度，e是单电子的电荷。针对图6中的电流绘制szout。如图6所示，由于szout＝sinjcos()，自旋极化的方向也是电流的振荡函数。因此，可以通过改变电流来产生相反方向的自旋。上述依赖性为自旋装置的功能设计提供了丰富的可能性。例如，szout的零变换点的工作点提供了自旋-电流转换的近似线性特性，并且可以用于自旋放大(图7，第2.2节)。此外，非线性也可以被利用，例如在用于多数逻辑的应用中(图8，第2.3节)。图1示出了装置100的可能实现，其中自旋极化被注入区域10中(即，在位置a处)。例如可以使用铁磁触点1来实现自旋注射，可能结合隧道屏障。对于给定的ns,l和b，电流取决于通过漏极触点4和铁磁触点1施加在限制部分上的电压v。在漏极接点处的自旋取向是流过器件的电流的量度。因此，器件100充当电流-自旋转换器。基于电流-自旋转换器实施例的自旋放大器在一些实施例中，旋转衰减可能是基于自旋装置的问题。特别是实现级联的相关逻辑单元仍然很困难，因为自旋极化在单元之间降低。本文提供的一种方法允许使用以下步骤进行自旋放大：将自旋电子器件的输出中获得的自旋极化编码为电流；这个信息被转换并通过电流(可能在很大的距离上)传递，然后通过本文公开的电流-自旋转换器(第2.1节)将其转换回具有放大幅度的自旋极化。图3示出了耦合到基于自旋的逻辑处理单元(或任何其它输出自旋极化的器件)以便放大自旋极化的电流到自旋转换器(如图1所示)的示意图。此处再次考虑自旋极化sz在纵向(主)轴z上的投影，其可以例如由铁磁触点1的磁化轴限定。图1中描绘的系统由于自旋-电流转换器114,1的原因，图3的实施例使得可以将输入自旋极化投影szin转换成电流，并且将获得的电流馈送到电流-自旋转换器100中。实现自旋-电流转换的一种可能方式利用了半导体118与铁磁触点1之间的自旋相关界面电阻114。在变型中，可以设想其他自旋-电流转换方法，其依赖于，例如，在反向自旋霍尔效应上。在图3的系统200中，自旋装置110的输出140中获得的自旋幅度szin需要放大。为了达到该目的，它通过自旋选择性触头114转换成电流。然后，获得的电流通过电连接(如果需要，通过大距离)被传送到电流-自旋转换器100，如前面参考图1所讨论的。如图3所示，电流直接通过铁磁触点1输送。然而，可以设想其他实施例，其允许构件110,100的大的空间分离。然后，自旋注入触点1根据先前转换的电流将自旋2注入到位置a处的电流-自旋转换器100中。在点a处的自旋极化sinj明显受到自旋注射接触1的自旋注入效率的影响。界面114处的电阻取决于输入自旋的自旋幅度szin。为了说明，可假定自旋到电流转换器114,1具有以下特性：r＝r0(1–selszin)，其中r0是用于非偏振自旋的器件的基极电阻，并且sel表示触点114的自旋的选择性(sel的最大值为1)。因此，自旋-电流转换器114,1具有用于非偏振自旋的电阻r0，电阻r0+selforszin＝-1和电阻r0–selforszin＝+1。如前所述，电流-自旋转换器在位置a旋转自旋极化，因为自旋以角度行进到点b因为r取决于szin，所以szout取决于szin。为了适当选择材料参数，可以将器件调谐到接近电流-自旋转换器的特性的零变换的工作点(参见图6)。由于近似线性的输入-输出特性，该器件用作自旋放大器。例如，下面的参数(表1)导致如图7所示的特性。表i通过调整参数可以实现更陡峭的斜坡并因此获得更高的放大系数。具有更强的立方自旋-轨道相互作用的材料，即更大的值，产生更大的放大因子。非线性自旋放大器和多数逻辑实现的自旋放大基于多数逻辑的概念将多个输入电极的自旋极化与输出电极的自旋极化相关联，其中输出自旋极化是各个输入电极的自旋极化的逻辑运算。在大多数逻辑概念中，输出由输出极化的符号定义，表示输入极化的平均值。与输入电极的自旋极化水平相比，输出电极处的自旋极化的整体量值可能已经减小。为了级联逻辑门，栅极n的输出自旋极化在它可以用作栅极n+1的输入自旋极化之前需要被放大。已经提出了这样的自旋放大器的概念，其依赖于使用弱自旋极化将具有在不稳定平衡中制备的磁化的铁磁材料的极化定向到具有相反磁化的两个稳定位置中的一个中。本小节中的系统提供了这些概念的替代方案。它利用如前所述的电流-自旋转换器100的非线性来实现基于旋转的多数逻辑。同样，考虑自旋极化sz在主轴z上的投影，由图3中铁磁触点1的磁化轴限定。多数逻辑器件110由至少三个单独的输入通道和一个输出通道(未示出)组成。多数逻辑门输入端的sz值为+s0或-s0。多数逻辑的输出是输入通道的平均值，由因子减少，该因子考虑了平均期间自旋极化的衰减。在三个输入通道的情况下，一个多数逻辑门的输出具有以下可能值：+s0,-s0,+s0/3or-s0/3。对于后两个结果，自旋极化减小因子2/3。因此，多数逻辑门的最大输出幅度由s0给出。为了在多数逻辑中使能级联门，一个门的输出必须在被传送到下一个门之前被放大，使得每个值s0和s0/3被放大到s0并且值-s0and-s0/3分别被放大到-s0(多数投票(majorityvote))。因此，可以使用类似于图3的系统，其中耦合装置110是基于旋转的多数逻辑装置。多数逻辑运算的输出因此连接到如第2.2节所述的自旋-放大器系统的输入szin。如前一小节所述，自旋放大器的电阻可以假定为r＝r0(1–selszin)。因此，器件电阻取决于下表中给出的多数逻辑操作的结果：szinr-αs0r0(1–sel)-αs0/3r0(1–sel/3)+αs0/3r0(1+sel/3)+αs0r0(1+sel)表ii在a点，自旋注入接触以自旋极化sinj注入自旋。系统200(图3)和材料参数被选择为使得获得多数票。这可以通过将自旋放大器的输入-输出特性扩展到非线性区域来实现，如图8所示。例如，一组合适的参数是表i给出的，除了电阻r，对于(向上，向上，向上)情况，假定等于800。图8绘制了相应的器件特性(虚线表示多数逻辑操作的四种可能结果)。下表(表iii)给出了这组特定参数的逻辑操作的概述。调整这些参数和/或除gaas之外的其他材料可能会提高szout大小的操作质量，并符合大多数投票的标准。szinrszout-αs00.56k-0.63sinj-αs0/30.72k-0.66sinjαs0/30.88k+0.63sinjαs01.04k+0.60sinj表iii注意，szout是放大器的输出并且同时是下一个多数栅极120(对于其而言s0＝szout)等等的输入，以便获得级联的逻辑门。以上示例演示了具有四种可能输入状态的多数投票。通常在多数逻辑门中，四种输入状态中只有三种出现。以下逻辑表(表iv)说明了一个逻辑或门，其中三个输入中的一个始终设置为1。仅发生输出极化αs0,αs0/3和-αs0/3。这使得更容易找到实施大多数投票的合适参数。表iv参照图1-3，限制部分8包括衬底之上的自旋传输层(或stl)。stl可以通过容纳2d电子气的半导体层7,8和9获得。2d电子气可以例如被限制在量子阱中，例如限于半导体层8，其中电子处于比周围层7和9中的能量低的状态。在变体中，2d电子气可以位于界面，即在层8与层7或9之间。该2d电子气中的电子通常由层7,8和/或9中的掺杂剂提供。这种半导体层的材料可以是iii的合金和三元合金-v材料(例如，gaas，alas，inas，inp或insb)或甚至ii-vi材料(例如，cdse，cdte或znse)。在一些实施例中，2d电子气可以形成在单个半导体层内，与相邻的绝缘或金属层的界面处，并且电子通过使用电场的场效应来提供。另外，如果需要，垂直于层施加的电场可用于调节系统。如前所述，连接到2d电子气体的是输入1和输出4的电极。输入电极用作自旋注入接触并由磁化材料组成，该材料被磁化成两个方向中的一个，即向上自旋或向下自旋，如图1、2中的标号2所示。在图1的例子中，注射方向沿z方向。通过在输入电极和2d电子气体之间传递电流，自旋极化电子可以在给定注入区域10中的2d电子气体中累积，例如，在输入电极和2d电子气之间的界面处。在2d电子气中该位置处的电子的自旋极化与输入电极的磁化直接相关，即2d电子气中的自旋也是向上或向下。输出电极4可用于将输出区域中的局部自旋极化(通常在2d电子气和输出电极之间的界面处)转换为电信号或另一输入电极的磁化状态：后者可以成为输出电极或接近界面处2d电子气的自旋极化的另一电极。在输入和输出电极之间，由输入电极压印的自旋极化通过漂移(并且还通过扩散)在2d电子气体中传播。在半导体异质结构中存在的2d电子气中的电子自旋受到自旋-轨道相互作用(soi)的影响。soi有两个独立的贡献。一个贡献源于大块反转-不对称，例如iii-v和ii-vi族半导体材料(bia)。第二个贡献源自结构反转不对称(sia)，其可以通过为图1中的层7,8,9选择不同的材料来设计或通过2d电子气的两侧7和9上的不同掺杂浓度。自旋振荡的周期由自旋轨道长度ls决定，自旋轨道长度ls由soi的强度和电子的质量决定。对于典型的iii-v和ii-vi材料，自旋轨道长度可以在10nm到10m范围内。它可以在一定程度上通过2d电子气上方和/或下方的栅电极进行调整。例如通过分子束外延生长的半导体层的工作顺序如下(从下到上)：-基板：gaas(001)晶圆；-层9可以依次包括：o500nmal0.3ga0.7aso在δ层掺杂si～61011cm-2；和o20nmal0.3ga0.7as-中心层8可以包括12nmgaas；和-第7层可能最终分解成：o90nmal0.3ga0.7as；和o5nmgaas。用于“激励”电极的典型电流强度/电压应取决于自旋注入触点的具体实现。如本文所使用的，术语“激励”电极通常可以包括：-在铁磁电极1和2d电子气(可能涉及2d电子气和铁磁触点之下的第二接触)之间传递电流。电流的方向决定了自旋的极化方向(沿着或抵抗电极的磁化)。或者，电极的磁化可以通过局部磁场或自旋转移力矩来反转；-使用圆极化光子将自旋极化电子激发到导带中。圆偏振(右旋圆偏振或左旋圆偏振)的螺旋性决定了激发自旋极化的方向；或者-允许产生局部自旋极化的任何其他技术，即电流引起的自旋极化，自旋相关隧穿等。读出输出处的自旋例如通过测量2d电子气和铁磁层1之间的电流来完成。在给定电压下，电流更高或更低取决于2d电子气中自旋极化的方向相对于铁磁层的磁化在输出电极下方。在一个实施例中，提供了一种用于在自旋-轨道耦合装置中旋转自旋极化的方法。该方法包括：提供自旋-轨道耦合器件，包括：限制部分，被配置为限制可能在其中漂移的电荷载流子，并且被配置为使在其中漂移的电荷载流子受到非线性自旋-轨道相互作用限制，该非线性自旋-轨道相互作用导致漂移电荷载流子的自旋极化以非线性地依赖于这种电荷载流子的动量的角度旋转；以及电路，所述电路包括：输入装置，所述输入装置可激励以将自旋极化注入到所述限制部分的输入区域中的载流子；以及输出设备，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，并且在输入区域中注入自旋极化时，经由电路改变在限制部分中漂移的电荷载流子的动量，由于所述非线性自旋-轨道相互作用而旋转漂移电荷载流子的自旋极化。在一个实施例中，该方法还包括检测输出区域中电荷载流子的自旋极化。在一个实施例中，通过在所述约束部件上施加电压来改变电荷载体的动量。在一个实施例中，该方法还包括提供自旋电子器件，该自旋电子器件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，其中该电路包括将自旋电子器件耦合到自旋的输入区域的自旋-电流转换器并且其中在后者的输入区域中注入自旋极化包括基于由自旋-电流转换器基于在所述自旋电子器件的输出区域获得的电荷载流子的给定自旋极化而产生的电流来注入自旋极化。在一个实施例中，该方法进一步包括设置电路以便放大关于自旋电子器件的所述输出区域中的电荷载流子的自旋极化的在自旋-轨道耦合器件的输出区域中可检测的自旋极化。在一个实施例中，提供了自旋-轨道耦合装置，其被配置成使得在自旋-轨道耦合装置的输出区域中可检测到的电荷载流子的自旋极化是与在限制部分中漂移电荷载流子的动量相关联的电流的振荡函数，并且其中执行设置电路以便在所述振荡函数的线性状态中放大来自自旋电子器件的输出区域的自旋极化，使得所产生的放大的自旋极化基本上线性地取决于所述电流。在一个实施例中，所提供的自旋电子器件是基于自旋的多数逻辑器件，其被配置为根据作为多数逻辑器件的输入注入自旋极化的逻辑操作，获得具有给定自旋极化的电荷载流子作为输出；并且提供的自旋-轨道耦合器件被配置成使得自旋-轨道耦合器件的输出中可检测到的电荷载流子的自旋极化是与在限制部分中漂移的电荷载流子相关的电流的振荡函数，以及自旋-电流转换器，并且其中设置电路被执行以便放大在自旋电子器件的输出中在所述振荡函数的非线性状态中获得的自旋极化，使得自旋极化的不同值与借助于所述振荡函数，经由输入装置注入的信号导致自旋-轨道耦合装置的输出区域中的自旋极化基本相同的放大值。在一个实施例中，执行电路的设置以便放大在自旋电子器件的输出中获得的两组自旋极化值，并且其中在两组中的每一组中，自旋极化的值是不同的并且是相同的符号，而两组中的一组的自旋极化值具有与两组中的另一组的自旋极化值的符号相反的符号，使得对于两组中的每一组，由于所述振荡函数的原因，在自旋电子器件的输出中获得的自旋极化产生与在自旋-轨道耦合器件的输出区域中可检测的自旋极化基本相同的放大值。一些实施例的技术效果和益处包括提供用于将电流转换成期望的自旋极化。其他实施例利用函数的线性状态，使得放大的自旋极化可以线性地依赖于与漂移载流子相关联的电流。更进一步的实施例为电流-自旋转换或自旋放大提供了优点。这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征，整体，步骤，操作，元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征，整体，步骤，操作，元件，部件和/或其组合。下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构，材料，动作和等同物旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护的元件组合执行功能的任何结构，材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但是并不意图是穷举的或者以所公开的形式限制本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种具有各种修改的实施例，以适合于预期的特定用途。已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择此处使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，实际应用或技术改进而不是技术上对市场上发现的技术的改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。当前第1页12