在半導(dǎo)體中，電子的運動就像在跳華爾茲，一邊自旋一邊按照自旋方向同步地旋轉(zhuǎn)移動。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月13日（北京時間）報道，最近，一個來自IBM研究團隊和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的聯(lián)合小組，首次直接繪制出電子怎樣形成一個持續(xù)自旋螺旋的過程圖，揭示了電子在半導(dǎo)體中跳“華爾茲”舞的情景。這一新進展有助于科學(xué)家更有效控制設(shè)備內(nèi)部磁性運動，帶來更加節(jié)能高效的電子設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。
   

       目前的計算機技術(shù)是利用電子所帶電荷來編碼和處理數(shù)據(jù)。隨著半導(dǎo)體元件越來越小，到了無法控制電流的臨界點，就開始顯出局限性，而電子自旋能突破這種障礙。利用電子自旋來存儲、傳輸并處理信息一直是計算機科學(xué)家的目標(biāo)，但他們尚不清楚，電子自旋能否在開始旋轉(zhuǎn)之前將編碼信息保存足夠長的時間。

       研究人員利用一種時間分辨掃描顯微技術(shù)，監(jiān)控了數(shù)千個電子自旋的演變，這些自旋是在一個很小區(qū)域內(nèi)同時生成，屬于隨機旋轉(zhuǎn)并會很快改變方向。IBM科學(xué)家利用超短激光脈沖控制，使得電子同步自旋的時間延長了30倍，達到1.1納秒，相當(dāng)于1GHz（千兆赫）處理器的一個周期。他們首次觀察到電子旋轉(zhuǎn)移動了超過10微米，整齊地排列成一種規(guī)則的、類似條紋的圖案，這就是所謂的“持續(xù)自旋螺旋”，并繪出了電子自旋的同步“華爾茲”圖像。

        實驗用的半導(dǎo)體是ETH科學(xué)家制造的一種砷化鎵（GaAs）材料，實驗在零下233℃低溫下進行，以確保電子自旋與環(huán)境之間的相互作用最小化。

       同步自旋運動的原因是一種物理機制，自旋軌道的相互作用將自旋和電子運動結(jié)合在一起。聯(lián)合小組中納米系統(tǒng)物理學(xué)小組的吉安·薩利斯解釋說，“假設(shè)所有舞伴都以女方面向北開始，過一會兒她們就會朝向不同方向。現(xiàn)在，我們相對于移動方向的改變，鎖定旋轉(zhuǎn)速度不變，結(jié)果就像一個完美設(shè)計的舞蹈動作：在特定區(qū)域中所有女方的臉始都會向同一方向。對于開發(fā)基于自旋的晶體管而言，控制、操作以及觀察電子自旋的能力非常重要。”

       研究人員指出，自旋電子學(xué)從實驗室到市場還面臨很大挑戰(zhàn)。電子自旋同步化讓科學(xué)家能觀察電子的旋轉(zhuǎn)移動，大大提高了將電子自旋用于處理邏輯操作的可行性，有望帶來更快更節(jié)能的計算機產(chǎn)品。

——科技日報編者按：當(dāng)前，半導(dǎo)體硬件性能逐漸接近極限，已很難繼續(xù)通過縮小元件尺寸來提高計算性能，摩爾定律將很快走到盡頭，量子計算時代還遙遙無期，有人焦慮，也有人探索新理論、技術(shù)和材料來戰(zhàn)勝現(xiàn)有技術(shù)的物理極限。電子自旋螺旋理論于2003年提出，通過近十年不懈努力，終于實現(xiàn)對電子自旋的控制、操縱和觀察，為利用電子自旋編程并制造性能更高的自旋晶體管打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然，新技術(shù)能否讓半導(dǎo)體材料突破瓶頸，還有賴于理論和材料的進一步突破。