在半導體中，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移動。據物理學家組織網8月13日（北京時間）報道，最近，一個來自IBM研究團隊和瑞士聯邦理工學院（ETH）的聯合小組，首次直接繪制出電子怎樣形成一個持續自旋螺旋的過程圖，揭示了電子在半導體中跳“華爾茲”舞的情景。這一新進展有助于科學家更有效控制設備內部磁性運動，帶來更加節能高效的電子設備。相關論文發表在《自然?物理學》雜志上。

      目前的計算機技術是利用電子所帶電荷來編碼和處理數據。隨著半導體元件越來越小，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家的目標，但他們尚不清楚，電子自旋能否在開始旋轉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，監控了數千個電子自旋的演變，這些自旋是在一個很小區域內同時生成，屬于隨機旋轉并會很快改變方向。IBM科學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，相當于1GHz（千兆赫）處理器的一個周期。他們首次觀察到電子旋轉移動了超過10微米，整齊地排列成一種規則的、類似條紋的圖案，這就是所謂的“持續自旋螺旋”，并繪出了電子自旋的同步“華爾茲”圖像。

      實驗用的半導體是ETH科學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合在一起。聯合小組中納米系統物理學小組的吉安?薩利斯解釋說，“假設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。現在，我們相對于移動方向的改變，鎖定旋轉速度不變，結果就像一個完美設計的舞蹈動作：在特定區域中所有女方的臉始都會向同一方向。對于開發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，自旋電子學從實驗室到市場還面臨很大挑戰。電子自旋同步化讓科學家能觀察電子的旋轉移動，大大提高了將電子自旋用于處理邏輯操作的可行性，有望帶來更快更節能的計算機產品。

    總編輯圈點：

      當前，半導體硬件性能逐漸接近極限，已很難繼續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、技術和材料來戰勝現有技術的物理極限。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。當然，新技術能否讓半導體材料突破瓶頸，還有賴于理論和材料的進一步突破。