自旋电子学:电子学的新发展

自旋电子学是一种不仅利用电荷，还利用电子自旋的技术。

近两百年来，电子一直是科技的重要组成部分。它是一种很小的带负电荷的粒子，我们可以推动电子流通过电线来发电。我们用它来照亮我们的家，打电话和为我们的工业供电。

电子学，而不是电学，将电子用于更复杂的目的。电子不只是通过电线移动电子;它以特定的方式控制它们，使它们能够执行计算。我们使用量子力学，即非常小尺度的物理学，来实现这个目标。它是现代电脑、智能手机和平板电脑的基础。

然而，电子学仍然依赖于使用电子的电荷来使这些设备发挥作用。自旋电子学的思想也是利用电子的自旋来进行计算。这将有效地为该技术可能实现的各种事情增加一个额外的维度。

什么是自旋?

电子通常被描述为绕原子核运行，有点像行星绕太阳运行。继续这个类比，我们可以把电子自旋想象成一颗行星在轨道上绕自己的轴旋转。有两种方式可以发生——顺时针和逆时针。在电子的情况下，这些通常被称为自旋向上或自旋向下状态。

然而，当我们缩小到单个电子的规模时，量子力学开始发挥作用，我们对世界如何运作的直觉就失效了。电子并不像行星那样旋转。从技术上讲，对自旋更准确的描述是电子角动量(物体旋转的程度)和磁矩(它产生的磁场)的结合。

实际上，它只是电子的基本性质，就像质量或电荷一样。它决定了固体中电子的排列，它的发现使人们对许多物理和化学反应有了更好的理解。

磁铁是如何工作的?

电和磁是一枚硬币的两面——电流可以产生磁场，反之亦然。电流就是两点之间的电子流动，而这些电子的自旋就是产生磁性的原因。

所有的电子都有自旋，但不是所有的材料都是磁性的。这是因为在大多数材料中，有相同数量的自旋向上和自旋向下的电子。这意味着它们相互抵消了。在少数元素中，比如钴、镍和铁，这些元素的数量不太平衡，所以有一个残余的自旋，这使得它们具有磁性。

异性相吸——所以磁铁粘在冰箱门上是因为磁铁电子的自旋是向上的(或像北极)，而冰箱电子的自旋是向下的(或像南极)，反之亦然。这种力的强度是惊人的——它可以将磁铁固定在冰箱上，而不受将其拉向地球的引力的影响!

我们可以用自旋做什么?除了用节日照片装饰我们的冰箱，还有什么技术上的可能性?

自旋最常用于数据存储，目前正在研究在电子设备中使用自旋进行计算，并用于医疗应用。

甚至有人猜测，我们可以利用自旋的特性来复制人类的大脑……

数据存储的自旋

磁性硬盘使用自旋来存储数据。它们的工作原理有点像黑胶唱片机——有一个可以旋转的圆形磁盘，上面有一个叫做读写头的手臂。磁盘被分成同心磁道，就像唱片一样，每个磁道又被分成更小的扇区。每个扇区中电子的自旋可以用读写头来切换。

计算机使用一种称为二进制的代码，将任何类型的数据转换成由1和0组成的字符串。然后读写臂沿着磁盘移动，有选择地将每个扇区的自旋切换为向上或向下，以表示1或0。当需要提取数据时，机械臂可以返回读取1和0的字符串，计算机可以将其转换回人类可理解的数据。

磁性最有用的特性之一是它是稳定的。一旦某物被磁化，它就会保持磁化状态，而不需要外部电源来保持它的运转。这使得它成为数据存储的好选择——即使你关掉电脑，数据也会保存下来。这也意味着，如果自旋实际上可以用于计算，它可以提供传统电子产品的低能量替代品，这是目前研究的一个活跃话题。

医用旋丝

自旋不仅是一种稳定的数据存储方法，还可以用来移动物体。就像条形磁铁可以推动铁填充物一样，电子的自旋可以用作驱动器，在自旋电子芯片上以微小的规模移动物体。这在需要完成许多任务的芯片中是有用的，例如，检测器

目前的一个研究课题是建立一种低成本、早期检测肾癌的工具。在肾癌的早期阶段，某些分子或生物标志物会被释放出来，这些分子或生物标志物存在于尿液中。来自剑桥大学的罗素·考伯恩和他的团队正试图开发一种自旋电子芯片，可以从尿液样本中检测出这些分子，就像验孕一样。

为了成为一个有效的检测器，芯片需要看到是否存在生物标志物，然后还需要准确地计算出它是哪种生物标志物。芯片的不同部分可以测试这一点，我们需要将生物标记从芯片的一个部分移动到另一个部分。该探测器结合了测试生物标记物所需的生物化学，以及移动分子的自旋电子学，有效地创造了一个小型便携式化学实验室。

一个自旋电子大脑?

今天的大多数计算机都依赖于冯·诺伊曼架构——这是一个关于如何移动电子来执行计算的概念设计。尽管看起来一台计算机同时在做很多不同的事情，但实际上每个处理器一次只执行一项任务。

这与人类大脑的工作方式根本不同，在人类大脑中，许多不同的过程可以并行发生。这意味着用传统的冯·诺依曼结构复制大脑是不可能的，因为计算方法完全不同。

通过将自旋操作和电荷操作加入到图中，可以想象非冯·诺伊曼计算过程。这意味着使用相同的电子，多个过程可能同时发生。包括自旋为可能的计算增加了一个新的维度。

现在听起来像是科幻小说，但也许我们可以想象有一天我们能造出一个自旋电子大脑……