硅晶體管時代或將終結，新材料將自旋電子器件變為現實

傳統的電子元件通過電荷的流動來處理數據，正如大家所熟知的晶體管中，通電代表「1」，斷電代表「0」。所以，自計算機發明以來，電流是所有二進位電子元件基礎。

然而，自旋電子學有望成為打破這一常規的新技術。

圖丨電子自旋

該技術摒棄了電流的概念，而嘗試利用電荷的另一更加基礎的性質——自旋。

自旋是基礎粒子的內在秉性（intrinsic property）。運用於數據處理中，我們把自旋「向上」定義為「1」，自旋「向下」定義為「0」。自旋也是磁場微觀起源，磁性金屬的電子自旋方向一致，而非磁性金屬的電子自旋方向混亂。

電子自旋器件具有存儲密度高、響應速度快等優點。一經應用，計算設備的運行效率、速度和存儲容量都將得到極大提升，能量消耗也會隨之降低，可以延長設備電池的使用壽命。另外，電子自旋材料並不激發磁場，因此不會對其他器件產生干擾，處理的數據也很難被監視。

美國猶他大學的團隊首次發現，有機-無機混合鈣鈦礦材料有望將自旋電子器件從理論變為現實。該材料滿足了自選器件所需的兩種截然相反的性質——較高的電子極化率，和較長的極化弛豫時間。也就是說，電子的自旋方向必須能被輕易改變，又能在較長時間內穩定地保持這一方向。

「這是一種人們夢寐以求的電子元件，但找到同時具有兩種性質的材料太難了。」該研究的第一作者，猶他大學的副教授Sarah Li表示，「然而這種新材料卻能夠兩者兼顧。」

圖丨猶他大學的研究者Sarah Li和Z. Valy Vardeny

奇蹟材料

有機-無機混合鈣鈦礦材料早已在學術界小有名氣，因為它在把光能轉化為電能時效率極高。

「這是一種難以置信的奇蹟材料，」同為研究者的Z. Valy Vardeny說道，「在短短几年之內，運用這一材料的太陽能板已達到了22%的效率，而現在我們又發現了它的自旋性質。這真是太難以置信了。」

該材料的外殼被一層重金屬元素所包圍，而重元素的自旋更容易被操控，但是自旋方向的維持時間卻很短，這就有點尷尬了。

「大多數人在自旋維持時間上都不看好這種材料，說實話我們也十分驚訝，」Li表示道，「而且還不知道測得的馳豫時間為何如此長，但這可能是該材料本身內稟的一種性質。」

由於電流的傳遞，傳統手機、電腦必須使用半導體硅晶管作為材料。然而現在的集成電路越來越微小複雜，已經在物理性質上達到了一個微縮的上限。這是一個老掉牙的問題（摩爾定律），要解決該問題，除了同樣老掉牙方案（量子計算機），還有我們今天主角——電子自旋材料。

在該理論下，計算機能夠在使用更少電荷的基礎上處理更多信息，而且信息量再次呈指數形式上漲。

「運用電子自旋學，我們對數據的處理不再依賴於電荷的數量，而且不再受限於晶體管的大小。唯一的限制就是電荷間磁矩的長度，當然這比晶體管的長度小得多。」Vardeny說。

如何製備自旋？

製備電子自旋就像為一把吉他調音，只不過調音器換成了鐳射槍和平面鏡。

首先，研究者製造了一層雜化鈣鈦礦鉛碘銨薄片，然後將其暴露在頻率為八千萬赫茲的脈衝激光之下。具體來說，激光被分成了兩束。第一束直擊薄片，並把電子調製成特定的自旋方向；第二束在一系列平面鏡之間來回反射，最後以逐漸變慢的平率射向薄片以測量自旋的弛豫時間。

研究發現，鈦礦鉛的弛豫時間意外的長——居然能維持到納秒以上（DT君表示這很長嗎...）。自旋在一納秒之內翻轉了幾次，也就是說在短短一納秒之內，信息就能被處理及儲存。

圖丨激光器件與平面鏡

在測定弛豫時間之後，研究者便開始測試其電子極化率，也就是探究該如何利用操控鈦礦鉛的電子自旋。

「自旋就像指南針，」Li描述道，「當你把自旋方向設定為『上』，將其定義為『1』，然後將其置於磁場中使方向改變180度，那麼它就從『1』變成了『0』；如果改變360度，那麼它就維持『1』不變。」

他們發現在強大的磁場下，自旋能夠翻轉十次以上。Vardeny認為這一材料的潛力是巨大的，它對數據的處理更快且具有更多的隨機內存 (random-access memory)。

「重要的話說三次，這是一種奇蹟材料」，Vardeny重申。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！