自旋电子研究新突破 冲击存储与处理技术

位于苏黎世(Zurich)的IBM研究中心(IBM Research)与瑞士联邦理工学院(ETH)研究人员宣布，观察到了半导体中的持续性电子自旋螺旋(persistent spin helix)，此结果可能对未来信息的存储与处理技术带来冲击。

IBM表示，该研究团队观察到了半导体内同步移动了数十微米(micrometer)的电子自旋，而且这些电子同步移动的模式很类似跳华尔滋的一对舞者。此外研究人员也发现，当同步化的电子从半导体晶格通过，能将电子自旋协调的周期延长至30~1.1纳秒(nanosecond)。这样的结果意味着可利用电子自旋取代电荷做为资料储存与处理的基础，如此就可克服芯片体积缩小所带来的极限。

苏黎世IBM研究中心的纳米系统研究团队物理学家Gian Salis表示："举例来说，就算一开始所有的电子对都是由面朝北方的"女舞者"开始移动，过了一会儿之后，所有旋转的电子对都会被导往不同的方向。我们现在能锁定那些"舞者"旋转的速度以及移动的方向，如此就能透过完美的"编舞"，让某个特定区域的"女舞者"面朝同样的方向。"

这种控制以及操纵、观察电子自旋的能力，是未来开发以自旋为基础、可利用电气编程的晶体管之重要步骤。而锁定电子自旋的概念早在2003年就被提出，自从那时候开始，有一些实验也曾发现可进行该种锁定的迹象，但迄今一直都没有被直接观察到。研究团队是利用自旋轨道的交互作用来取得同步化，并以短雷射脉冲来监测数千个电子自旋。

通常这类电子自旋的旋转都是随机的、而且方向性松散，科学家现在则能观察到那些自旋是如何巧妙排列成一种规律的条纹状(stripe-like)图案，也就是所谓的持续性电子自旋螺旋。以上实验是利用ETH所提供，经过精密设计的超纯净砷化镓 (gallium arsenide)来进行。

不过要想将自旋电子研究成果商业化，还有非常多障碍需要克服；其中一个就是自旋电子研究通常需要在低温之下进行，好将电子自旋与周遭环境之间的交互作用降到最低。IBM研究人员的实验就是在凯式温度40度(Kelvin，摄氏零下233度)进行；这项实验成果论文(Direct mapping of the formation of a persistent spin helix)发表在8月号Nature Physics期刊。