俄亥俄州立大學的的一項新研究首次證明，金剛石可以作為計算機數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，而且其效果要優(yōu)于早先研究中使用的金屬材料。這一研究結果已于3月23日發(fā)表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。
該研究屬于一個新興領域——自旋電子學。這一領域的相關研究成果可以顯著提升計算機性能。實驗中發(fā)現(xiàn)，電子在金剛石導線中并不會像它們在普通導線中那樣移動；相反，電子并不移動，而電子的一種被稱作“自旋”的磁效應則會通過導線傳遞給其他電子。這種方式類似于看臺上觀眾組成的“人浪”。
俄亥俄州立大學著名實驗物理學家、研究領導者克里斯·海默爾（Chris Hammel）認為，金剛石在自旋電子學領域有著十分重要的研究價值。因為金剛石是一種堅硬、透明的電絕緣材料，而且它耐酸、性質(zhì)穩(wěn)定，也不像半導體那樣容易發(fā)熱。
金剛石內(nèi)部的碳原子排列非常緊密，沒有游離的電子，所以金剛石本身不能傳遞電子自旋。海默爾表示：“正因為金剛石太穩(wěn)定了，所以之前科學家一直認為，這是一種除了裝飾戒指以外沒什么用的材料。但是，將它用于計算機中這一想法卻十分有趣。”在這次研究中，研究人員將氮原子插入碳原子之間，這樣導線中就有了可以改變自身自旋態(tài)的未成對電子。每300萬個碳原子中僅需插入一個氮原子，就足以使電子的自旋在鉆石導線中傳遞。
海默爾的研究團隊將一截經(jīng)過改造的、長度4微米、寬200納米的金剛石導線降溫至4.2開爾文（約合零下269攝氏度），放在磁共振力顯微鏡下觀察，結果顯示導線內(nèi)電子的會按照某種模式改變其自旋態(tài)。
a. 磁共振力顯微鏡測量導線中電子自旋噪聲示意圖。共振線圈可以在磁性顆粒周圍的磁場中形成共振切片。隨著懸臂的運動，磁場也會發(fā)生相應的變化，共振切片會掃過探針。探針正中間探測到的自旋信號（實心紅色）強度最大，越靠近探針邊緣信號越弱。b-e. 示意圖展示了探針掃過導線（淺黃色長方形區(qū)域）的過程。雙箭頭表示隨著探針的移動，電子自旋反轉的傳遞方向。f. 自旋信號（紫色圓點）隨著探針位置的變化，當探針完全進入導線（圖e）時，限號強度達到最大。g. 自旋相關時間（綠色菱形）。一開始（圖b）自旋在探針外側快速傳遞，但是隨著探針進入導線（圖c），自旋需要傳遞更遠的距離才能離開探針，這導致了時間的增加。一旦探針完全進入導線（圖d，e）自旋可以向探針的兩側傳遞，此時時間開始減少，約為峰值的一半。研究者供圖。
這種金剛石導線的價格比鉆戒便宜很多，只要100美金。不過它使用的不是天然金剛石，而是人造金剛石。“如果這種導線被用于計算機，它就可以用來傳輸信息。導線一端的電子的自旋態(tài)會通過導線傳遞給位于另一端的電子。”海默爾說。
研究中還發(fā)現(xiàn)，位于導線末尾的電子的自旋態(tài)的維持時間是導線中間的電子的兩倍，而之前的實驗則認為二者的持續(xù)時間應該相同。
盡管目前的研究成果離成功制造出金剛石晶體管還很遙遠，但是研究為科學家理解電子自旋提供了一個新的角度。
在過去的實驗中，科學家只能觀察到物體中電子自旋態(tài)的平均值：自旋方向向上和向下的電子的總數(shù)。所以只要總數(shù)不變，科學家無法得知電子自旋方向是如何改變的。但是，這一研究將改變過去70年來科學家對于電子自旋的研究方法。
海默爾認為：“我們需要的不是平均值。我們想知道自旋方向到底是怎么改變的，以及特定自旋態(tài)的持續(xù)時間。”
原文參考：Science Daily，Spintronics: Could diamonds be a computer's best friend?
