IBM突破自旋电子技术 有望引发内存革命

Computerworld网站日前发表文章称，IBM研究人员在自旋电子学领域取得了重大技术突破，可以将电子自旋周期延长30倍，从而有望突破内存行业面临的“极限困境”，在未来引发新一轮“存储革命”。以下为文章全文：

著名科学期刊《自然》将在本周刊登一篇由IBM研究人员撰写的论文，他们声称在自旋电子学领域取得了一项重大的技术突破，可以显著提高内存与存储设备的存储能力，同时能够大大降低其能耗。

何为自旋电子学?

自旋电子学是“自旋迁移电子学”的简称，它能够利用电子在磁场内的自旋并结合读写头，在半导体材料上记录和读取数位数据。

通过改变电子在其空间中的相对轴向(向上或向下)，物理学家可以用它代表数据位。例如，电子在向上的轴上就是“1”，而电子在向下的轴上就是“0”。

长期以来，自旋电子学一直面临一个固有的问题，因为电子“向上或向下”的方向状态只能保持100皮秒——1皮秒相当于1秒的1万亿分之一(1纳秒的千分之一)。100皮秒不足以进行一次运算，所以晶体管不能完成运算功能，数据存储也不持久。

IBM让自旋电子大跳“集体舞”

在发表于《自然》的这项研究中，IBM研究院与瑞士苏黎世联邦理工学院(简称“ETH”)固态物理实验室宣布，他们发现的一种同步方法可以将电子自旋周期延长30倍至1.1纳秒，这也是1 GHz处理器的运算周期。

该论文的联合作者、IBM研究院纳米物理研究小组的科学家吉安萨里斯(Gian Salis)表示，IBM的科学家利用超短激光脉冲监测一小块地方内成千上万电子同时产生的自旋，从而了解这些电子自旋状态的变化。

通常情况下，这些自旋电子会随机旋转并迅速失去方向性。在该项研究中，IBM和ETH的研究人员首次发现了如何将自选电子整齐地呈条带状排列的方法，这种排列又被称为“恒定自旋螺旋”(persistent spin helix，简称PSH)。

萨里斯指出，“自旋锁定”这一概念最早提出于2003年，之后的一些实验发现了证明此类此类锁定存在的迹象，但是迄今为止从未有人直接观察到这一过程。

“自旋方向的这些旋转是完全不相关的”萨里斯表示，“现在我们可以让这种旋转实现同步，从而让电子保持自旋的同时又全部沿同一个方向旋转，就像整齐划一的集体舞一样。”

“我们已经完全掌握了这个过程，并且已经证明了这一理论。”他补充道。

图：电子螺旋式自旋模式图以及“恒定自旋螺旋”(PSH)

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创造电子产业新机遇

IBM的研究人员采用砷化镓作为其主要半导体材料，这是当今电子工业、二极管和太阳能电池常用的一种材料。

如今的计算技术通过电子的电荷变化来进行数据的编码与处理。然而研究人员指出，当半导体材料的尺寸缩小到电子流不再受控时，这一技术就受到了限制。

例如，NAND闪存产品所使用的电路宽度已经小于20纳米，这是接近原子大小的尺寸。然而通过控制电子的自旋而非电荷，自旋电子学能够克服内存行业所面临的这一困境。

对自旋电子学的这种最新解读，不但能让科学家前所未有地控制设备内部的电磁运动，也为制造能效更高的电子设备创造了新机遇。

在自旋电子学领域，IBM并非唯一的技术钻研者。

三年前，法国斯特拉斯堡材料物理与化学研究中心的物理学家们在自旋电子学的基础上建立了新型激光技术，并且因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。

这些法国物理学家发现了一种方法，可以利用激光来加速硬盘的存储输入/输出，使其比现有读写速度提高10万倍。

自旋电子学遇到的问题之一，是用于检测数据位的磁传感器速度太慢。但是在2007年，法国的一项研究发表在科学期刊《自然-物理学》(Nature Physics)上，该研究小组使用“飞秒”(即1秒的1000万亿分之一、1皮秒的千分之一)激光产生速度超快的激光脉冲，从而改变电子自旋，因此加速了读写过程。

IBM的研究人员表示，说他们取得的突破为晶体管和非易失性存储开辟了道路，这种新型存储技术的能耗将会远低于今天的NAND闪存技术。

需极端低温环境

然而，一个很大的症结在于——研究人员目前还不能在室温下得到理想的结果，而正常范围的温度对于处理器和内存设备的实际生产非常重要。目前来看，这一实验只有在低至40开尔文(即摄氏零下233度、华氏零下387华氏度)的极端低温下才能进行。

“现在还没有这样的设备，然而这是一项突破，我们掌握了延长电子在沟道内自旋周期的方法。”萨里斯说道，“接下来我们想做的一件事情，就是把它(即自旋周期)延长30倍。”