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       傳統(tǒng)的電子元件通過電荷的流動(dòng)來處理數(shù)據(jù)，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(jì)算機(jī)發(fā)明以來，電流是所有二進(jìn)制電子元件基礎(chǔ)。

然而，自旋電子學(xué)有望成為打破這一常規(guī)的新技術(shù)。

圖丨電子自旋

該技術(shù)摒棄了電流的概念，而嘗試?yán)秒姾傻牧硪桓踊A(chǔ)的性質(zhì)——自旋。

自旋是基礎(chǔ)粒子的內(nèi)在秉性（intrinsic property）。運(yùn)用于數(shù)據(jù)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(chǎng)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(chǔ)密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。一經(jīng)應(yīng)用，計(jì)算設(shè)備的運(yùn)行效率、速度和存儲(chǔ)容量都將得到極大提升，能量消耗也會(huì)隨之降低，可以延長(zhǎng)設(shè)備電池的使用壽命。另外，電子自旋材料并不激發(fā)磁場(chǎng)，因此不會(huì)對(duì)其他器件產(chǎn)生干擾，處理的數(shù)據(jù)也很難被監(jiān)視。

美國(guó)猶他大學(xué)的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，有機(jī)-無機(jī)混合鈣鈦礦材料有望將自旋電子器件從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。該材料滿足了自選器件所需的兩種截然相反的性質(zhì)——較高的電子極化率，和較長(zhǎng)的極化弛豫時(shí)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地保持這一方向。

“這是一種人們夢(mèng)寐以求的電子元件，但找到同時(shí)具有兩種性質(zhì)的材料太難了。”該研究的第一作者，猶他大學(xué)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(xué)的研究者Sarah Li和Z. Valy Vardeny

奇跡材料

有機(jī)-無機(jī)混合鈣鈦礦材料早已在學(xué)術(shù)界小有名氣，因?yàn)樗诎压饽苻D(zhuǎn)化為電能時(shí)效率極高。

“這是一種難以置信的奇跡材料，”同為研究者的Z. Valy Vardeny說道，“在短短幾年之內(nèi)，運(yùn)用這一材料的太陽能板已達(dá)到了22%的效率，而現(xiàn)在我們又發(fā)現(xiàn)了它的自旋性質(zhì)。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(shí)間卻很短，這就有點(diǎn)尷尬了。

“大多數(shù)人在自旋維持時(shí)間上都不看好這種材料，說實(shí)話我們也十分驚訝，”Li表示道，“而且還不知道測(cè)得的馳豫時(shí)間為何如此長(zhǎng)，但這可能是該材料本身內(nèi)稟的一種性質(zhì)。”

由于電流的傳遞，傳統(tǒng)手機(jī)、電腦必須使用半導(dǎo)體硅晶管作為材料。然而現(xiàn)在的集成電路越來越微小復(fù)雜，已經(jīng)在物理性質(zhì)上達(dá)到了一個(gè)微縮的上限。這是一個(gè)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(jì)算機(jī)），還有我們今天主角——電子自旋材料。

在該理論下，計(jì)算機(jī)能夠在使用更少電荷的基礎(chǔ)上處理更多信息，而且信息量再次呈指數(shù)形式上漲。

“運(yùn)用電子自旋學(xué)，我們對(duì)數(shù)據(jù)的處理不再依賴于電荷的數(shù)量，而且不再受限于晶體管的大小。唯一的限制就是電荷間磁矩的長(zhǎng)度，當(dāng)然這比晶體管的長(zhǎng)度小得多。”Vardeny說。

如何制備自旋？

制備電子自旋就像為一把吉他調(diào)音，只不過調(diào)音器換成了鐳射槍和平面鏡。

首先，研究者制造了一層雜化鈣鈦礦鉛碘銨薄片，然后將其暴露在頻率為八千萬赫茲的脈沖激光之下。具體來說，激光被分成了兩束。第一束直擊薄片，并把電子調(diào)制成特定的自旋方向；第二束在一系列平面鏡之間來回反射，最后以逐漸變慢的平率射向薄片以測(cè)量自旋的弛豫時(shí)間。

研究發(fā)現(xiàn)，鈦礦鉛的弛豫時(shí)間意外的長(zhǎng)——居然能維持到納秒以上（DT君表示這很長(zhǎng)嗎...）。自旋在一納秒之內(nèi)翻轉(zhuǎn)了幾次，也就是說在短短一納秒之內(nèi)，信息就能被處理及儲(chǔ)存。

圖丨激光器件與平面鏡

在測(cè)定弛豫時(shí)間之后，研究者便開始測(cè)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(dāng)你把自旋方向設(shè)定為‘上’，將其定義為‘1’，然后將其置于磁場(chǎng)中使方向改變180度，那么它就從‘1’變成了‘0’；如果改變360度，那么它就維持‘1’不變。”

他們發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)大的磁場(chǎng)下，自旋能夠翻轉(zhuǎn)十次以上。Vardeny認(rèn)為這一材料的潛力是巨大的，它對(duì)數(shù)據(jù)的處理更快且具有更多的隨機(jī)內(nèi)存 (random-access memory)。

“重要的話說三次，這是一種奇跡材料”，Vardeny重申。