自旋電子學(xué)可能不是日常討論中出現(xiàn)的那種詞，但多年來它一直在徹底改變計算機(jī)技術(shù)。它是物理學(xué)的一個分支，涉及操縱電子流的旋轉(zhuǎn)，這種電子流在20世紀(jì)90年代末以磁性計算機(jī)硬盤驅(qū)動器的形式首次傳遞給消費(fèi)者，其存儲容量是其前輩的數(shù)百倍。

這些和其他電子設(shè)備已被改進(jìn)，使計算機(jī)再次變得更強(qiáng)大，更不用說更酷，更節(jié)能 - 從MP3播放器到今天的智能手機(jī)。英特爾和谷歌去年開始推出量子處理器，幾個月前三星和Everspin推出了MRAM(磁性隨機(jī)存取存儲器)芯片。預(yù)計這項新技術(shù)將大大提高計算性能 - 例如，一項估計，電力需求的潛在降低可能超過99%。

即便如此，所有這些進(jìn)步都在一個主要限制下進(jìn)行：旋轉(zhuǎn)操作僅限于單個超薄磁性材料層。這些層中的幾十層通常以“夾層”結(jié)構(gòu)堆疊，其通過復(fù)雜的界面和互連相互作用，但它們的功能本質(zhì)上基本上是2D的。

像斯圖爾特帕金這樣的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，創(chuàng)造了IBM最初的自旋電子驅(qū)動的計算機(jī)硬盤，Deskstar 16GP Titan，多年來一直在說磁性計算的最大挑戰(zhàn)之一就是轉(zhuǎn)向更靈活，更強(qiáng)大的3D版本。

這將看到在三維磁性層堆疊的任何點(diǎn)上傳輸，存儲和處理的信息。最近的開拓進(jìn)展也開始把這一轉(zhuǎn)變更接近，但我們?nèi)悦媾R巨大挑戰(zhàn)，以達(dá)到相同程度的控制，因為我們有兩個維度。

在由格拉斯哥大學(xué)和劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的新論文中，我們與漢堡大學(xué)，埃因霍溫技術(shù)大學(xué)和阿爾托大學(xué)理學(xué)院的研究人員合作，為實現(xiàn)這一目標(biāo)邁出了重要的一步。

旋轉(zhuǎn)和收費(fèi)

傳統(tǒng)電子學(xué)基于電子具有電荷的事實。在基本計算機(jī)中，芯片和其他單元通過發(fā)送和接收微小電脈沖來傳輸信息。它們?yōu)槊}沖注冊“一”，對無脈沖注冊“零”，并且通過對這些重復(fù)進(jìn)行計數(shù)，它成為指令語言的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的磁性硬盤驅(qū)動器也依賴于與電荷相關(guān)的特性，但它們的工作原理不同，扁平磁盤的非常小的區(qū)域通過其兩個可能的磁性方向記錄零和一個。磁力驅(qū)動器具有很大的好處，即使電源關(guān)閉時數(shù)據(jù)仍然存在，盡管信息的記錄和檢索速度比使用我們在計算機(jī)電路中找到的晶體管要慢得多。

自旋電子學(xué)是不同的：它利用電子的電荷和內(nèi)在磁性 - 也稱為自旋。自旋和電荷之間的差異有時被比作地球圍繞太陽運(yùn)行的方式，但同時也在其軸上旋轉(zhuǎn)。但是，雖然電子總是帶負(fù)電，但它們可以“向上”或“向下”旋轉(zhuǎn)。

它被發(fā)現(xiàn)在80年代后期，如果電流是通過由夾在兩個磁性層之間的非磁性片形成的設(shè)備進(jìn)行的，該器件的電阻的電子流將顯著取決于磁體的內(nèi)方位改變兩張磁片。

這種效應(yīng)在硬盤驅(qū)動器中很容易被利用，這些自旋電子系統(tǒng)作為非常敏感的傳感器，可以在同一區(qū)域內(nèi)讀取比以前的硬盤驅(qū)動器更多的零和磁信息 - 從而改變存儲容量。這被稱為巨磁阻，后來為Albert Fert和Peter Grunberg 取得了諾貝爾物理學(xué)獎，這兩位科學(xué)家同時發(fā)現(xiàn)了它。

手性自旋電子學(xué)

自從自旋電子學(xué)誕生以來，已經(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展，包括最近在一個名為手性自旋電子學(xué)的領(lǐng)域中令人興奮的一些。雖然我們通常認(rèn)為兩個磁鐵具有“北”和“南”，它們沿180º線朝向或遠(yuǎn)離彼此旋轉(zhuǎn) - 例如在該視頻的末端觀察指南針- 在特定條件下，微小的磁鐵在原子水平也呈現(xiàn)手性自旋相互作用。這意味著相鄰磁體傾向于以90°的角度定向。

這些相互作用的存在是創(chuàng)建和操縱稱為磁性skyrmions的偽粒子的關(guān)鍵因素，其具有拓?fù)涮匦?，使其能夠更有效地?zhí)行計算應(yīng)用，具有進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)存儲的巨大潛力。

然而，到目前為止，僅在2D自旋電子學(xué)中觀察和利用了手性自旋相互作用。在我們的新論文中，我們首次表明，這種相互作用也可以在位于由超薄非磁性金屬層隔開的兩個相鄰磁性層的磁體之間產(chǎn)生。

為此，我們使用一種稱為濺射的技術(shù)創(chuàng)建了一個總共八層的器件來沉積納米級薄膜。我們必須仔細(xì)調(diào)整層的界面以平衡其他磁相互作用，我們使用激光研究了室溫下磁場下系統(tǒng)的行為。我們的漢堡大學(xué)合作者通過互補(bǔ)磁模擬確認(rèn)了設(shè)備的行為方式。

這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)進(jìn)一步的3D自旋電子效應(yīng)開辟了新的激動人心的路線，手性自旋相互作用發(fā)揮了關(guān)鍵作用，創(chuàng)造了更緊湊，更有效的方式來存儲和移動整個3D空間的磁數(shù)據(jù)。未來的工作將集中在尋找增加這種相互作用強(qiáng)度的方法，并擴(kuò)大影響存在的設(shè)備范圍。我們希望我們的工作能夠引起自旋電子界的極大興趣，并促使行業(yè)繼續(xù)致力于基于這些全新概念的磁性計算設(shè)備。

自旋電子學(xué)在計算市場上的第一次影響非?？?- 從發(fā)現(xiàn)巨磁阻到1997年推出IBM的Deskstar 16GP Titan僅用了8年時間.3D的飛躍仍然需要克服多重障礙，從精確制造在非常規(guī)計算架構(gòu)中利用磁交互的必要設(shè)備。我們最近的發(fā)現(xiàn)使我們更接近實現(xiàn)這個非常具有挑戰(zhàn)性但令人興奮的目標(biāo)。對話