在半導(dǎo)體中，電子的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月13日（北京時(shí)間）報(bào)道，最近，一個(gè)來(lái)自IBM研究團(tuán)隊(duì)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(gè)持續(xù)自旋螺旋的過(guò)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(jìn)展有助于科學(xué)家更有效控制設(shè)備內(nèi)部磁性運(yùn)動(dòng)，帶來(lái)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(jì)算機(jī)技術(shù)是利用電子所帶電荷來(lái)編碼和處理數(shù)據(jù)。隨著半導(dǎo)體元件越來(lái)越小，到了無(wú)法控制電流的臨界點(diǎn)，就開(kāi)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(lái)存儲(chǔ)、傳輸并處理信息一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的目標(biāo)，但他們尚不清楚，電子自旋能否在開(kāi)始旋轉(zhuǎn)之前將編碼信息保存足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

      研究人員利用一種時(shí)間分辨掃描顯微技術(shù)，監(jiān)控了數(shù)千個(gè)電子自旋的演變，這些自旋是在一個(gè)很小區(qū)域內(nèi)同時(shí)生成，屬于隨機(jī)旋轉(zhuǎn)并會(huì)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(shí)間延長(zhǎng)了30倍，達(dá)到1.1納秒，相當(dāng)于1GHz（千兆赫）處理器的一個(gè)周期。他們首次觀察到電子旋轉(zhuǎn)移動(dòng)了超過(guò)10微米，整齊地排列成一種規(guī)則的、類(lèi)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(shí)驗(yàn)用的半導(dǎo)體是ETH科學(xué)家制造的一種砷化鎵（GaAs）材料，實(shí)驗(yàn)在零下233℃低溫下進(jìn)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(yùn)動(dòng)的原因是一種物理機(jī)制，自旋軌道的相互作用將自旋和電子運(yùn)動(dòng)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(shuō)，“假設(shè)所有舞伴都以女方面向北開(kāi)始，過(guò)一會(huì)兒她們就會(huì)朝向不同方向?，F(xiàn)在，我們相對(duì)于移動(dòng)方向的改變，鎖定旋轉(zhuǎn)速度不變，結(jié)果就像一個(gè)完美設(shè)計(jì)的舞蹈動(dòng)作：在特定區(qū)域中所有女方的臉始都會(huì)向同一方向。對(duì)于開(kāi)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(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)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(dòng)，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(lái)更快更節(jié)能的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。

    總編輯圈點(diǎn)：

      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(guò)縮小元件尺寸來(lái)提高計(jì)算性能，摩爾定律將很快走到盡頭，量子計(jì)算時(shí)代還遙遙無(wú)期，有人焦慮，也有人探索新理論、技術(shù)和材料來(lái)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(guò)近十年不懈努力，終于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lài)于理論和材料的進(jìn)一步突破。