著名科學(xué)期刊《自然》將在本周刊登一篇由IBM研究人員撰寫的論文，他們聲稱在自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得了一項重大的技術(shù)突破，可以顯著提高內(nèi)存與存儲設(shè)備的存儲能力，同時能夠大大降低其能耗。

何為自旋電子學(xué)？

        自旋電子學(xué)是“自旋遷移電子學(xué)”的簡稱，它能夠利用電子在磁場內(nèi)的自旋并結(jié)合讀寫頭，在半導(dǎo)體材料上記錄和讀取數(shù)位數(shù)據(jù)。

        通過改變電子在其空間中的相對軸向（向上或向下），物理學(xué)家可以用它代表數(shù)據(jù)位。例如，電子在向上的軸上就是“1”，而電子在向下的軸上就是“0”。

        長期以來，自旋電子學(xué)一直面臨一個固有的問題，因為電子“向上或向下”的方向狀態(tài)只能保持100皮秒——1皮秒相當于1秒的1萬億分之一（1納秒的千分之一）。100皮秒不足以進行一次運算，所以晶體管不能完成運算功能，數(shù)據(jù)存儲也不持久。

IBM讓自旋電子大跳“集體舞”

         在發(fā)表于《自然》的這項研究中，IBM研究院與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（簡稱“ETH”）固態(tài)物理實驗室宣布，他們發(fā)現(xiàn)的一種同步方法可以將電子自旋周期延長30倍至1.1納秒，這也是1 GHz處理器的運算周期。

        該論文的聯(lián)合作者、IBM研究院納米物理研究小組的科學(xué)家吉安?薩里斯（Gian Salis）表示，IBM的科學(xué)家利用超短激光脈沖監(jiān)測一小塊地方內(nèi)成千上萬電子同時產(chǎn)生的自旋，從而了解這些電子自旋狀態(tài)的變化。

         通常情況下，這些自旋電子會隨機旋轉(zhuǎn)并迅速失去方向性。在該項研究中，IBM和ETH的研究人員首次發(fā)現(xiàn)了如何將自選電子整齊地呈條帶狀排列的方法，這種排列又被稱為“恒定自旋螺旋”（persistent spin helix，簡稱PSH）。

        薩里斯指出，“自旋鎖定”這一概念最早提出于2003年，之后的一些實驗發(fā)現(xiàn)了證明此類此類鎖定存在的跡象，但是迄今為止從未有人直接觀察到這一過程。

        “自旋方向的這些旋轉(zhuǎn)是完全不相關(guān)的”薩里斯表示，“現(xiàn)在我們可以讓這種旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)同步，從而讓電子保持自旋的同時又全部沿同一個方向旋轉(zhuǎn)，就像整齊劃一的集體舞一樣。”

        “我們已經(jīng)完全掌握了這個過程，并且已經(jīng)證明了這一理論。”他補充道。

        IBM的研究人員采用砷化鎵作為其主要半導(dǎo)體材料，這是當今電子工業(yè)、二極管和太陽能電池常用的一種材料。

        如今的計算技術(shù)通過電子的電荷變化來進行數(shù)據(jù)的編碼與處理。然而研究人員指出，當半導(dǎo)體材料的尺寸縮小到電子流不再受控時，這一技術(shù)就受到了限制。

        例如，NAND閃存產(chǎn)品所使用的電路寬度已經(jīng)小于20納米，這是接近原子大小的尺寸。然而通過控制電子的自旋而非電荷，自旋電子學(xué)能夠克服內(nèi)存行業(yè)所面臨的這一困境。

        對自旋電子學(xué)的這種最新解讀，不但能讓科學(xué)家前所未有地控制設(shè)備內(nèi)部的電磁運動，也為制造能效更高的電子設(shè)備創(chuàng)造了新機遇。

       在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，IBM并非唯一的技術(shù)鉆研者。

        三年前，法國斯特拉斯堡材料物理與化學(xué)研究中心的物理學(xué)家們在自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)上建立了新型激光技術(shù)，并且因此獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎。

        這些法國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以利用激光來加速硬盤的存儲輸入/輸出，使其比現(xiàn)有讀寫速度提高10萬倍。

        自旋電子學(xué)遇到的問題之一，是用于檢測數(shù)據(jù)位的磁傳感器速度太慢。但是在2007年，法國的一項研究發(fā)表在科學(xué)期刊《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）上，該研究小組使用“飛秒”（即1秒的1000萬億分之一、1皮秒的千分之一）激光產(chǎn)生速度超快的激光脈沖，從而改變電子自旋，因此加速了讀寫過程。

IBM的研究人員表示，說他們?nèi)〉玫耐黄茷榫w管和非易失性存儲開辟了道路，這種新型存儲技術(shù)的能耗將會遠低于今天的NAND閃存技術(shù)。

需極端低溫環(huán)境

        然而，一個很大的癥結(jié)在于——研究人員目前還不能在室溫下得到理想的結(jié)果，而正常范圍的溫度對于處理器和內(nèi)存設(shè)備的實際生產(chǎn)非常重要。目前來看，這一實驗只有在低至40開爾文（即攝氏零下233度、華氏零下387華氏度）的極端低溫下才能進行。

        “現(xiàn)在還沒有這樣的設(shè)備，然而這是一項突破，我們掌握了延長電子在溝道內(nèi)自旋周期的方法。”薩里斯說道，“接下來我們想做的一件事情，就是把它（即自旋周期）延長30倍。”