科学家首次绘制出电子的“华尔兹”轨迹

本报讯 （记者常丽君）在半导体中，电子的运动就像在跳华尔兹，一边自旋一边按照自旋方向同步地旋转移动。据物理学家组织网8月13日（北京时间）报道，最近，一个来自IBM研究团队和瑞士联邦理工学院（ETH）的联合小组，首次直接绘制出电子怎样形成一个持续自旋螺旋的过程图，揭示了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情景。这一新进展有助于科学家更有效控制设备内部磁性运动，带来更加节能高效的电子设备。相关论文发表在《自然·物理学》杂志上。

目前的计算机技术是利用电子所带电荷来编码和处理数据。随着半导体元件越来越小，到了无法控制电流的临界点，就开始显出局限性，而电子自旋能突破这种障碍。利用电子自旋来存储、传输并处理信息一直是计算机科学家的目标，但他们尚不清楚，电子自旋能否在开始旋转之前将编码信息保存足够长的时间。

研究人员利用一种时间分辨扫描显微技术，监控了数千个电子自旋的演变，这些自旋是在一个很小区域内同时生成，属于随机旋转并会很快改变方向。IBM科学家利用超短激光脉冲控制，使得电子同步自旋的时间延长了30倍，达到1.1纳秒，相当于1GHz（千兆赫）处理器的一个周期。他们首次观察到电子旋转移动了超过10微米，整齐地排列成一种规则的、类似条纹的图案，这就是所谓的“持续自旋螺旋”，并绘出了电子自旋的同步“华尔兹”图像。

实验用的半导体是ETH科学家制造的一种砷化镓（GaAs）材料，实验在零下233℃低温下进行，以确保电子自旋与环境之间的相互作用最小化。

同步自旋运动的原因是一种物理机制，自旋轨道的相互作用将自旋和电子运动结合在一起。联合小组中纳米系统物理学小组的吉安·萨利斯解释说，“假设所有舞伴都以女方面向北开始，过一会儿她们就会朝向不同方向。现在，我们相对于移动方向的改变，锁定旋转速度不变，结果就像一个完美设计的舞蹈动作：在特定区域中所有女方的脸始都会向同一方向。对于开发基于自旋的晶体管而言，控制、操作以及观察电子自旋的能力非常重要。”

研究人员指出，自旋电子学从实验室到市场还面临很大挑战。电子自旋同步化让科学家能观察电子的旋转移动，大大提高了将电子自旋用于处理逻辑操作的可行性，有望带来更快更节能的计算机产品。

总编辑圈点：

当前，半导体硬件性能逐渐接近极限，已很难继续通过缩小元件尺寸来提高计算性能，摩尔定律将很快走到尽头，量子计算时代还遥遥无期，有人焦虑，也有人探索新理论、技术和材料来战胜现有技术的物理极限。电子自旋螺旋理论于2003年提出，通过近十年不懈努力，终于实现对电子自旋的控制、操纵和观察，为利用电子自旋编程并制造性能更高的自旋晶体管打下了基础。当然，新技术能否让半导体材料突破瓶颈，还有赖于理论和材料的进一步突破。