俄亥俄州立大學(xué)的的一項(xiàng)新研究首次證明，金剛石可以作為計(jì)算機(jī)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(jié)果已于3月23日發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。
該研究屬于一個(gè)新興領(lǐng)域——自旋電子學(xué)。這一領(lǐng)域的相關(guān)研究成果可以顯著提升計(jì)算機(jī)性能。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電子在金剛石導(dǎo)線(xiàn)中并不會(huì)像它們?cè)谄胀▽?dǎo)線(xiàn)中那樣移動(dòng)；相反，電子并不移動(dòng)，而電子的一種被稱(chēng)作“自旋”的磁效應(yīng)則會(huì)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞給其他電子。這種方式類(lèi)似于看臺(tái)上觀(guān)眾組成的“人浪”。
俄亥俄州立大學(xué)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、研究領(lǐng)導(dǎo)者克里斯·海默爾（Chris Hammel）認(rèn)為，金剛石在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著十分重要的研究?jī)r(jià)值。因?yàn)榻饎偸且环N堅(jiān)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(dǎo)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(méi)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?yàn)榻饎偸€(wěn)定了，所以之前科學(xué)家一直認(rèn)為，這是一種除了裝飾戒指以外沒(méi)什么用的材料。但是，將它用于計(jì)算機(jī)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(dǎo)線(xiàn)中就有了可以改變自身自旋態(tài)的未成對(duì)電子。每300萬(wàn)個(gè)碳原子中僅需插入一個(gè)氮原子，就足以使電子的自旋在鉆石導(dǎo)線(xiàn)中傳遞。
海默爾的研究團(tuán)隊(duì)將一截經(jīng)過(guò)改造的、長(zhǎng)度4微米、寬200納米的金剛石導(dǎo)線(xiàn)降溫至4.2開(kāi)爾文（約合零下269攝氏度），放在磁共振力顯微鏡下觀(guān)察，結(jié)果顯示導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)電子的會(huì)按照某種模式改變其自旋態(tài)。
a. 磁共振力顯微鏡測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)中電子自旋噪聲示意圖。共振線(xiàn)圈可以在磁性顆粒周?chē)拇艌?chǎng)中形成共振切片。隨著懸臂的運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，共振切片會(huì)掃過(guò)探針。探針正中間探測(cè)到的自旋信號(hào)（實(shí)心紅色）強(qiáng)度最大，越靠近探針邊緣信號(hào)越弱。b-e. 示意圖展示了探針掃過(guò)導(dǎo)線(xiàn)（淺黃色長(zhǎng)方形區(qū)域）的過(guò)程。雙箭頭表示隨著探針的移動(dòng)，電子自旋反轉(zhuǎn)的傳遞方向。f. 自旋信號(hào)（紫色圓點(diǎn)）隨著探針位置的變化，當(dāng)探針完全進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)（圖e）時(shí)，限號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大。g. 自旋相關(guān)時(shí)間（綠色菱形）。一開(kāi)始（圖b）自旋在探針外側(cè)快速傳遞，但是隨著探針進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)（圖c），自旋需要傳遞更遠(yuǎn)的距離才能離開(kāi)探針，這導(dǎo)致了時(shí)間的增加。一旦探針完全進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)（圖d，e）自旋可以向探針的兩側(cè)傳遞，此時(shí)時(shí)間開(kāi)始減少，約為峰值的一半。研究者供圖。
這種金剛石導(dǎo)線(xiàn)的價(jià)格比鉆戒便宜很多，只要100美金。不過(guò)它使用的不是天然金剛石，而是人造金剛石。“如果這種導(dǎo)線(xiàn)被用于計(jì)算機(jī)，它就可以用來(lái)傳輸信息。導(dǎo)線(xiàn)一端的電子的自旋態(tài)會(huì)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞給位于另一端的電子。”海默爾說(shuō)。
研究中還發(fā)現(xiàn)，位于導(dǎo)線(xiàn)末尾的電子的自旋態(tài)的維持時(shí)間是導(dǎo)線(xiàn)中間的電子的兩倍，而之前的實(shí)驗(yàn)則認(rèn)為二者的持續(xù)時(shí)間應(yīng)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(yuǎn)，但是研究為科學(xué)家理解電子自旋提供了一個(gè)新的角度。
在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家只能觀(guān)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(xué)家無(wú)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(guò)去70年來(lái)科學(xué)家對(duì)于電子自旋的研究方法。
海默爾認(rèn)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(shí)間。”
原文參考：Science Daily，Spintronics: Could diamonds be a computer's best friend?
