「完美無瑕」一定好嗎？晶體中的缺陷或可讓未來計算機運行更高效

目前，電子設備都利用電子轉移來處理信息，而新型「自旋電子器件」可運用電子的磁性來處理信息。科學家們最近發現，晶體中的缺陷在該類器件的設計中可能非常有用。

晶體；圖片來源：CC0公共域

來源 | AIP Inside Science

作者 | Yuen Yiu

和珠寶商的觀點不同，科學家們認為晶體中存在瑕疵可能是一件好事。最近發表的一項研究表明，有特定類型缺陷的晶體可以讓未來的計算機運行得更高效。

走進自旋空間

自旋，與電荷和質量一樣，是亞原子粒子的一個基本屬性，同時它也是粒子是否具有磁性的原因。而自旋電子設備，顧名思義，是一種較新出現的，既利用電子的電荷、又利用電子的自旋來處理信息的設備。相比之下，目前大多數常見的電子設備處理信息僅僅使用了電荷。

Feng Liu 是一名來自美國鹽湖城猶他大學的材料科學家，也是《物理評論快報》最新刊發的這篇論文的作者之一。他說：「目前，我們的電子設備的所有操作都是基於電子的轉移，而在這個過程中，當電荷在材料中穿梭時就會不可避免的產生熱量，並耗散能量。這是目前該領域面臨的一個難題。」

據 Liu 教授介紹，如果可以利用自旋，那麼單個電子中就可以存入更多的信息。這樣不必增加諸如能量輸入或冷卻設備，就可以使計算設備更加有效地運行。

Song Jin 教授是一名來自威斯康辛-麥迪遜大學的納米材料專家，他並沒有參與這項研究工作。他表示:「目前，這些設想中的應用大多數還僅僅處於概念層面，但科學家們已經開始著手構建設備的雛形。」

與電荷移動不同，自旋流可以在不依賴電子運動的情況下穿過材料。其通過材料的傳播方式就如同我們通常在體育場中看到的「人浪」表演那般。但是，就像不協調的粉絲會不善於維持「人浪」，這些自旋流往往因其失去相干性而無法在實際應用中使用。

自旋流（圖中第一行）不依賴電子的運動（圖中第二行）就能穿過材料並傳遞信息；版權：AIP

劉教授解釋說：「我們稱這一過程（相干性漸失）為『自旋弛豫』，當其發生時，自旋所攜帶的信息就會丟失。所以我們希望自旋相干的時間儘可能長，即當注入一個『向上』的自旋時，它至少要在該信號被處理前，一直保持著『自旋向上』的狀態。」

在最近的一篇論文中，劉教授和他的研究團隊通過理論推導發現，也許存在一種方法可以有效地幫助這些自旋流維持其相干性，即：製造有缺陷的晶體。

「旋」入控制

他們的理論計算表明，螺旋狀的晶體缺陷可以幫助引導自旋流，就像扭蛋機內的螺旋槽可以引導糖果滑到孩子們手中一樣。而這種特殊形狀的晶體缺陷的引導作用要歸功於一種名為自旋軌道相互作用的量子效應，即電子將其自旋的方向和其物理運動聯繫在一起。此時，螺旋狀的晶體缺陷就像一個漏斗，引導著自旋軌道耦合的電子，使其在穿越材料時可以繼續保持自旋的相干性。

讓人欣喜的是，他們的計算還表明，在缺陷的晶體中，這些自旋軌道耦合電子的能量範圍與其他電子的能量範圍是相互分離的。這就意味著在這種缺陷的晶體中，自旋流所攜帶的信號將會很容易與其他電子產生的雜訊信號區分開來，就像調頻電台可以通過其獨特的指定頻率而被區分開來。

在理論上，這些想法是非常有希望實現的。那麼下一步，任務就交到了晶體學家和實驗學家手上了：如何去設計和生長出有螺旋狀缺陷的晶體，進而檢驗這些充滿希望的理論預測。

金教授表示：「在晶體生長過程中，這種缺陷和錯位就像生命一樣，我的意思是，它們無處不在。想讓這些缺陷在材料中可控地形成是有點難，但並非完全不可能。」

翻譯 | 谷大春

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/flawed-crystals-are-beautiful-eyes-scientists

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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