傳統(tǒng)的電子元件通過電荷的流動來處理數(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，自計算機發(fā)明以來，電流是所有二進制電子元件基礎。

然而，自旋電子學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，而嘗試利用電荷的另一更加基礎的性質(zhì)——自旋。

自旋是基礎粒子的內(nèi)在秉性（intrinsic property）。運用于數(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(yōu)點。一經(jīng)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，電子自旋材料并不激發(fā)磁場，因此不會對其他器件產(chǎn)生干擾，處理的數(shù)據(jù)也很難被監(jiān)視。

美國猶他大學的團隊首次發(fā)現(xiàn)，有機-無機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。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(nèi)穩(wěn)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(zhì)的材料太難了?！痹撗芯康牡谝蛔髡撸q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?！?/p>

圖丨猶他大學的研究者Sarah Li和Z. Valy Vardeny

奇跡材料

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

“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)，運用這一材料的太陽能板已達到了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?！?/p>

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(shù)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(nèi)稟的一種性質(zhì)。”

由于電流的傳遞，傳統(tǒng)手機、電腦必須使用半導體硅晶管作為材料。然而現(xiàn)在的集成電路越來越微小復雜，已經(jīng)在物理性質(zhì)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(shù)形式上漲。

“運用電子自旋學，我們對數(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度，當然這比晶體管的長度小得多?！盫ardeny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量自旋的弛豫時間。

研究發(fā)現(xiàn)，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(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存。

圖丨激光器件與平面鏡

在測定弛豫時間之后，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’，然后將其置于磁場中使方向改變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)在強大的磁場下，自旋能夠翻轉(zhuǎn)十次以上。Vardeny認為這一材料的潛力是巨大的，它對數(shù)據(jù)的處理更快且具有更多的隨機內(nèi)存 (random-access memory)。

“重要的話說三次，這是一種奇跡材料”，Vardeny重申。