通過(guò)在石墨烯中完成隧道自旋注入，加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家們完成了自旋計(jì)算機(jī)(spin computer)研發(fā)中非常重要的一步。
物理學(xué)告訴我們，電子可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行分類(lèi)，稱之為“自旋”(spin)，包括上旋(spin up)、下旋(spin down)兩種狀態(tài)，正好對(duì)應(yīng)數(shù)字存儲(chǔ)中的0、1。自旋計(jì)算機(jī)就是基于電子自旋原理，利用電子自旋狀態(tài)存儲(chǔ)和處理海量數(shù)據(jù)，相比于現(xiàn)在使用的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)不僅數(shù)據(jù)量更大，而且能源消耗和發(fā)熱量更低，速度也要快得多。
“隧道自旋注入”(tunneling spin injection)是一個(gè)用來(lái)描述絕緣體電導(dǎo)率的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)榻衲曛Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)而再次引起關(guān)注的石墨烯(graphene)則一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子蜂窩狀面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯異常堅(jiān)硬而又有彈性，是電的良導(dǎo)體，而且抗熱性很好。
領(lǐng)導(dǎo)此次自旋計(jì)算機(jī)研究項(xiàng)目的是加州大學(xué)河濱分校物理和天文學(xué)助教Roland Kawakami。他解釋說(shuō)：“在室溫條件下，石墨烯是自旋傳導(dǎo)屬性最好的材料之一，因此是自旋計(jì)算機(jī)的最佳實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但是從鐵磁電極向石墨烯的電子自旋注入效率非常低，更讓人擔(dān)憂的是觀察所得自旋壽命只有預(yù)想的幾千分之一。我們需要更長(zhǎng)的自旋壽命，因?yàn)閴勖介L(zhǎng)，能執(zhí)行的計(jì)算操作就越多。”
為了解決上述問(wèn)題，科研人員們?cè)阼F磁電極和石墨烯層之間插入了一個(gè)只有幾納米厚的絕緣層“隧道結(jié)”(tunnel barrier)，自旋注入效率因此得以明顯提高。
Kawakami說(shuō)：“絕緣體向石墨烯的量子隧道自旋注入效率提高了30倍。同樣有趣的是，絕緣體就像是個(gè)單向閥門(mén)，只允許電子在一個(gè)方向上流動(dòng)，也就是從電極向石墨烯，而不能反過(guò)來(lái)。絕緣體有助于將注入的自旋保持在石墨烯之內(nèi)，這也是自旋注入效率提高的關(guān)鍵所在。這種不同于直覺(jué)的結(jié)果是石墨烯隧道自旋注入的第一次展現(xiàn)�，F(xiàn)在我們創(chuàng)造了石墨烯自旋注入效率的世界紀(jì)錄�！�
根據(jù)霍爾測(cè)量，隧道結(jié)的插入還讓自旋壽命從典型的100皮秒(百億分之一秒)延長(zhǎng)到了大約500皮秒。Kawakami指出，從理論上說(shuō)，石墨烯應(yīng)該有著極長(zhǎng)的自旋壽命，這也是它的一個(gè)特性，正因?yàn)槿绱瞬庞邢Ｍ俪勺孕?jì)算機(jī)。
至于這種所謂的自旋計(jì)算機(jī)什么時(shí)候能夠開(kāi)始實(shí)用，那可有的等了。
物理學(xué)告訴我們，電子可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行分類(lèi)，稱之為“自旋”(spin)，包括上旋(spin up)、下旋(spin down)兩種狀態(tài)，正好對(duì)應(yīng)數(shù)字存儲(chǔ)中的0、1。自旋計(jì)算機(jī)就是基于電子自旋原理，利用電子自旋狀態(tài)存儲(chǔ)和處理海量數(shù)據(jù)，相比于現(xiàn)在使用的傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)不僅數(shù)據(jù)量更大，而且能源消耗和發(fā)熱量更低，速度也要快得多。
“隧道自旋注入”(tunneling spin injection)是一個(gè)用來(lái)描述絕緣體電導(dǎo)率的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)榻衲曛Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)而再次引起關(guān)注的石墨烯(graphene)則一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子蜂窩狀面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯異常堅(jiān)硬而又有彈性，是電的良導(dǎo)體，而且抗熱性很好。
領(lǐng)導(dǎo)此次自旋計(jì)算機(jī)研究項(xiàng)目的是加州大學(xué)河濱分校物理和天文學(xué)助教Roland Kawakami。他解釋說(shuō)：“在室溫條件下，石墨烯是自旋傳導(dǎo)屬性最好的材料之一，因此是自旋計(jì)算機(jī)的最佳實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但是從鐵磁電極向石墨烯的電子自旋注入效率非常低，更讓人擔(dān)憂的是觀察所得自旋壽命只有預(yù)想的幾千分之一。我們需要更長(zhǎng)的自旋壽命，因?yàn)閴勖介L(zhǎng)，能執(zhí)行的計(jì)算操作就越多。”
為了解決上述問(wèn)題，科研人員們?cè)阼F磁電極和石墨烯層之間插入了一個(gè)只有幾納米厚的絕緣層“隧道結(jié)”(tunnel barrier)，自旋注入效率因此得以明顯提高。
Kawakami說(shuō)：“絕緣體向石墨烯的量子隧道自旋注入效率提高了30倍。同樣有趣的是，絕緣體就像是個(gè)單向閥門(mén)，只允許電子在一個(gè)方向上流動(dòng)，也就是從電極向石墨烯，而不能反過(guò)來(lái)。絕緣體有助于將注入的自旋保持在石墨烯之內(nèi)，這也是自旋注入效率提高的關(guān)鍵所在。這種不同于直覺(jué)的結(jié)果是石墨烯隧道自旋注入的第一次展現(xiàn)�，F(xiàn)在我們創(chuàng)造了石墨烯自旋注入效率的世界紀(jì)錄�！�
根據(jù)霍爾測(cè)量，隧道結(jié)的插入還讓自旋壽命從典型的100皮秒(百億分之一秒)延長(zhǎng)到了大約500皮秒。Kawakami指出，從理論上說(shuō)，石墨烯應(yīng)該有著極長(zhǎng)的自旋壽命，這也是它的一個(gè)特性，正因?yàn)槿绱瞬庞邢Ｍ俪勺孕?jì)算機(jī)。
至于這種所謂的自旋計(jì)算機(jī)什么時(shí)候能夠開(kāi)始實(shí)用，那可有的等了。
