在半導體中，電子的運動就像（xiàng）在跳華爾茲，一邊自旋一邊（biān）按照自旋方向同步地旋轉移動。據（jù）物理學家組織網8月13日（北京時間）報道，最近，一（yī）個來自IBM研究團隊和瑞士聯（lián）邦理工學院（ETH）的（de）聯合小組，首（shǒu）次直接繪製出電子怎樣形成一個持續（xù）自旋螺旋的過程圖，揭示了電子在半導體中（zhōng）跳“華爾茲”舞的情（qíng）景。這一新進展有助於科學家更有（yǒu）效（xiào）控製設備內部磁性運動，帶來更加節能高效的電子設備。相關論文發表在《自然（rán）?物（wù）理學》雜誌上（shàng）。

      目前的計算機技術是利用電子（zǐ）所帶電荷來編碼（mǎ）和處理數據（jù）。隨著半導體元件越來越小，到了無法控製（zhì）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（shū）並處理信息一直（zhí）是計算機科學（xué）家的目標，但他們尚不清楚，電子自旋（xuán）能否在開始旋轉之前將編碼信息保存（cún）足夠長的時間（jiān）。

      研究人員利用一種時間分辨掃描顯微技術，監控了數千個（gè）電子自旋的演變，這些自旋是在一個很小區域內同（tóng）時生成，屬於隨機旋轉並會很快改（gǎi）變方向。IBM科學（xué）家利（lì）用超短（duǎn）激光脈衝（chōng）控製，使得電子同步自旋的時間延長了30倍，達到1.1納秒，相（xiàng）當於1GHz（千（qiān）兆赫）處理器的一個周期。他們首次觀察到電子旋轉移（yí）動了超過10微米，整齊地排列成一種規則的、類似條紋（wén）的圖案（àn），這就是所謂的“持續自旋螺旋”，並繪出了電子自旋的（de）同步（bù）“華爾茲”圖像。

      實驗用（yòng）的半導體是ETH科學家製造（zào）的一種砷化镓（jiā）（GaAs）材料，實驗在零下（xià）233℃低溫下進行，以確（què）保電子自旋與環境之（zhī）間的相互作用最小化。

      同步自旋運動的原因是一種物理（lǐ）機製，自旋軌道的相互作用將自旋和電子運動結（jié）合在一起。聯合（hé）小組中納米係統物理學小組的吉安?薩利斯（sī）解釋（shì）說，“假設所有舞伴都以女方麵向北開始，過一會兒她們就會朝（cháo）向（xiàng）不同方向。現在，我們相對於移動方向的改（gǎi）變，鎖定旋轉速度（dù）不變，結果就像一個完美設計的舞蹈動作：在特定（dìng）區域中所有（yǒu）女方的臉始都會向同一方向。對於開發基於自旋的晶（jīng）體（tǐ）管而言，控製、操作以及觀察電子自旋的（de）能力非常（cháng）重要。”

      研究人（rén）員（yuán）指出，自旋電子學從實驗室到市場（chǎng）還麵臨很大挑戰（zhàn）。電子自旋同步化讓科學家（jiā）能觀察電子的旋轉移動，大大（dà）提高（gāo）了將電子自旋用於處理邏輯操作（zuò）的可行性，有望帶來更快更（gèng）節能的（de）計（jì）算機產品。

    總編輯圈點：

      當前（qián），半（bàn）導體硬件性能逐漸接近極限，已很難繼續（xù）通過縮小元件尺（chǐ）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（dài）還遙遙（yáo）無期，有人焦慮，也有人探索新理論、技術（shù）和材料來戰勝現（xiàn）有技術的物（wù）理極限。電子自旋螺旋理論於2003年提出，通（tōng）過近十年（nián）不懈努力，終於（yú）實現對電子（zǐ）自旋的控製、操縱和觀察，為利用電子自旋編程（chéng）並製造性能更高的自旋晶體管打下（xià）了基礎。當然，新技術（shù）能否讓半導體材（cái）料突破瓶頸，還有賴於理論（lùn）和材料（liào）的進一步突破。