著名科學期刊《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領域取得了一項重大的技術突破，可以顯著提高內存與存儲設備的存儲能力，同時能夠大大降低其能耗。

何為自旋電子學？

        自旋電子學是“自旋遷移電子學”的簡稱，它能夠利用電子在磁場內的自旋并結合讀寫頭，在半導體材料上記錄和讀取數位數據。

        通過改變電子在其空間中的相對軸向（向上或向下），物理學家可以用它代表數據位。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，數據存儲也不持久。

IBM讓自旋電子大跳“集體舞”

         在發表于《自然》的這項研究中，IBM研究院與瑞士蘇黎世聯邦理工學院（簡稱“ETH”）固態物理實驗室宣布，他們發現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。

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

         通常情況下，這些自旋電子會隨機旋轉并迅速失去方向性。在該項研究中，IBM和ETH的研究人員首次發現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，之后的一些實驗發現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是完全不相關的”薩里斯表示，“現在我們可以讓這種旋轉實現同步，從而讓電子保持自旋的同時又全部沿同一個方向旋轉，就像整齊劃一的集體舞一樣。”

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

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

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

        例如，NAND閃存產品所使用的電路寬度已經小于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，自旋電子學能夠克服內存行業所面臨的這一困境。

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

       在自旋電子學領域，IBM并非唯一的技術鉆研者。

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

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

        自旋電子學遇到的問題之一，是用于檢測數據位的磁傳感器速度太慢。但是在2007年，法國的一項研究發表在科學期刊《自然-物理學》（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，說他們取得的突破為晶體管和非易失性存儲開辟了道路，這種新型存儲技術的能耗將會遠低于今天的NAND閃存技術。

需極端低溫環境

        然而，一個很大的癥結在于——研究人員目前還不能在室溫下得到理想的結果，而正常范圍的溫度對于處理器和內存設備的實際生產非常重要。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。

        “現在還沒有這樣的設備，然而這是一項突破，我們掌握了延長電子在溝道內自旋周期的方法。”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。”