美国留学

作者：张运行|中国科学院培训部：中国科学院物理研究所，评论者：Wan Caihua副研究员|物理研究所，中国科学院

您是否曾经想过，在我们看不到的微观世界中，电子在跳舞神奇的舞蹈？这不是科幻小说中的场景，而是一个真实的量子物理现象——电子旋转。今天，让我们一起走进这个奇妙的领域，并感觉到电子产品如何使用他们独特的“舞蹈”来重写我们的未来。

最小的陀螺仪？知道电子在电子方面旋转时，大多数人的第一印象可能是它们带有负电荷并在电线上迅速“运行”，形成电流。但是你知道吗？电子产品不仅可以“运行”，还可以“舞蹈”！这个神秘的“舞蹈”称为“旋转”。什么是旋转？试想一下一个微型陀螺仪，它不停止而旋转。太好了，这种陀螺无法像熟悉的玩具那样自由地改变旋转方向，而只能“旋转” ——（逆时针旋转，定义旋转方向）向上或（顺时针旋转，定义旋转方向）以两种固定的方式向下定义旋转方向。科学家称这两个状态分别为“旋转”和“旋转”，就像电子的“舞蹈姿势”一样。图1：陀螺仪和电子旋转的示意图（左图来源：lingoace；右图像来源：Wikimedia Commons），但请注意，此陀螺只是一个视觉隐喻。实际上，自旋是量子力学中电子的固有特性，它不是真正的物理旋转。正如电子的负电荷是一种天生的财产一样，旋转也是微观世界中存在的神秘“烙印”。一旦发现了“舞蹈”，它立即震惊了科学界，并揭示了量子世界的另一面。从量子力学的角度来看，自旋是固有的角动量，是粒子的固有量子特性之一。与轨道角动量不同，旋转不是源于电子的实际旋转，而是dirac方程中对称性引入的数学结构。电子旋转状态可以由二维希尔伯特空间中的状态媒介代表。一般形式是：其中|>，|>分别向上和向下表示Z轴的本征态。 和是复杂的幅度，必须满足归一化条件：||^2+||^2=1。旋转的三个组成部分由Pauli矩阵表示，这些矩阵位于笛卡尔坐标系统中：这些矩阵满足了一组重要的对立宽松关系：[_i，_j]=2_ijk_k，其中__ijk是levi-civita符号，代表三二维旋转的不对称。电子的自旋状态在测量过程中塌陷成特定本征态，显示“非古典”跳跃行为，这是量子计算和旋转基质的物理基础之一。

从电荷到旋转：过去几十年来技术革命的前奏，我们的电子设备依赖于电子设备的“运行”。电子设备在电线上来回往返，形成电流，照亮灯泡，驱动计算机并促进现代技术的开发。从智能手机到高性能计算机，这一切都从这种“运行”电子行为中受益。图2：比较传统电路和旋转设备，以视觉上表达“跑步者”和“舞者”之间的差异（这张照片由作者制作）。但是，就像马拉松运动员在跑步很长时间后会精疲力尽一样，电子产品将连续运行并有局限性。随着设备的尺寸越来越小，由于电子的“运行”造成的问题变得越来越明显：•高能量消耗：电子的移动将消耗大量能量，而加热问题是不可避免的。 •速度瓶颈：运行电子始终具有速度限制，无法满足对未来技术的高速需求。 •最小化挑战：控制越来越小的设备的电子运动变得越来越困难。目前，科学家提出了一个大胆的想法：如果电子不再依靠“跑步”来工作，而是直接使用他们的“舞蹈姿势”来传达信息会发生什么？换句话说，电子不再是勤奋的“马拉松运动员”，而是优雅的“芭蕾舞舞者”，该技术通过控制电子状态（向上或旋转）来传达信息。这个想法的提议使电子旋转技术能够从实验室转移到应用领域，从而触发了新的技术革命。

旋转魔术：它已融入您的生活中。不要以为电子“舞蹈”仍然远离我们的生活。实际上，他们已经悄悄地进入了我们的日常生活。 ——您甚至每天都使用他们的“舞蹈”来创建结果。例如，计算机中的硬盘驱动器不仅是内存。也许当您还是个孩子时，您会听到硬盘“点击”声音的声音，但实际上是忙于阅读和编写数据的头部。长期以来，现代硬盘中的阅读头一直是非凡的。他们使用称为“巨型磁阻”（GMR）效应的量子现象。这是电子自旋状态对电阻的影响，从而使磁头可以有效地识别“ 0”和“ 1”。 1988年的同一时期，两名科学家发现了GMR效应：法国的阿尔伯特·屈服和德国的彼得·格吕伯格。他们独立研究了电子传输在多层磁/非磁金属薄膜结构中的行为，并首次观察到电阻随磁化方向的变化而显着变化。这一突破为磁性记录技术开辟了一条新的道路。 GMR设备的核心结构包括两个夹杂在非磁导体层（例如铜）的铁磁层。一层具有相对固定的磁矩方向（参考层），另一层具有相对可调的磁矩方向（自由层）。当两个磁矩平行时，自旋偏振电子可以平稳地传递，自旋散射效果较弱，并且整体电阻较小。当两个磁矩是反平行的时，电子在传播过程中很容易被反向磁矩散射，从而导致电阻增加。这种自旋依赖性电子散射机制揭示了抗抗性的可能性，并且是旋转基质的开始。结果于2007年被授予诺贝尔物理学，并将其评估为“纳米技术时代信息存储革命的基石”。这一发现直接引起了硬盘密度及其容量的显着跳跃，使我们能够轻松地存储大量的数据信息，例如照片和视频。如果没有电子产品的“舞蹈”参与，云计算和大数据仍然可能只是留在纸上的概念。如今，电子产品的“舞蹈”正在对存储技术的未来更深刻地影响。磁性随机访问记忆（MRAM）是一种与电子自旋特性一起使用的新一代记忆设备。与传统的闪存相比，MRAM具有许多优势：（1）电源关闭内存：即使设备关闭了电源，数据也可以存储在磁矩的方向（即向上或向下旋转），并且不再依赖连续的电源； （2）更快：其数据读取速度比传统闪存快几个数量级； （3）低能消耗：几乎不会产生热量，这更能节能且环保。除了第一代MRAM外，科学家还不断升级这项技术。例如，通过引入自旋传输扭矩（STT）和自旋轨道扭矩（SOT），这是一种更有效且稳定的新自旋储物结构。这些设备不仅更快，而且功耗较低，而且还有望突破“存储和计算段”的瓶颈，从而使未来的芯片有效地记住并灵活地处理。图3：MRAM MTJ的基本单位； GreenWave GAP9 MRAM芯片（图像来源：XTECH）STT机制依赖于将自旋极化电流直接注入磁性自由层。原理是：当自旋极化电子进入自由层时，它们的自旋方向与局部磁矩不一致。电子通过自旋翻转将角动量传递到磁矩，从而施加扭矩以实现磁化翻转。该机制已被广泛用于第二代STT-MRAM。相比之下，SOT机制依赖于重金属（例如PT，TA）中强的自旋轨道偶联产生的侧向自旋流。

通过在重金属/铁磁双层结构中施加电流，可以使用自旋霍尔效应或RashBA效应产生垂直自旋流动，并作用于磁层的磁矩以诱导其翻转。由于电流不需要垂直通过磁性隧道连接处，因此SOT设备具有较高的写入速度，更长的寿命和较低的写入电流密度，这特别适合在神经网络和逻辑加速等场景中使用。此外，旋转的“魔力”也反映在我们不多关注但至关重要的地方。您是否曾经注意到，当您旋转手机时，地图会自动调整方向？这恰恰是由于自旋磁磁倍感传感器具有精确的“感知”能力。这种类型的传感器可以识别地球磁场的轻微变化，并且是智能手机，无人驾驶汽车，可穿戴设备等的关键组成部分。它被称为现代生活的“电子罗盘”。更令人兴奋的是，下一代高敏性磁性传感器悄然诞生。他们不仅感觉到导航的地磁学，而且还监测了极弱的人类生物磁信号，例如大脑的神经活性或心脏的电磁反应。这意味着旋转传感器有望成为未来非侵入性神经医学和脑部计算机界面的核心技术，从而为医疗和医疗保健带来了破坏性的变化。图4：研究人员Han Xiufeng的团队及其合作者发现并实验观察到了10种新型的自旋量子效应，并开发了10多种新的自旋电子原型设备。 （图片来源：中国科学院物理研究所M02研究小组）

磁铁：微观世界中的“墨西哥浪潮”如果单个电子的旋转是一种独奏舞，那么当许多电子的旋转相互作用时，这是一个盛大的“群舞”。这种现象称为自旋波，就像微观世界中的“墨西哥波”一样。图5：旋转波传播的动态艺术渲染，显示波浪状的自旋变化（图像来源：sketchfab；图像源：Marconi van），可以通过相邻的电子传播电子的自旋变化，从而形成波动。自旋波还具有波动粒子二元性，例如光波和声波，它们的传播遵循特定的分散关系，即频率和波矢量K的关系函数k：其中是giromagnetic的比率，h_eff是有效的磁场，d是旋转刚度系数。该公式表明，自旋波的频率随传播波矢量的形式平时增加，类似于声波中的和弦振动模式。在二维或一维纳米结构中，由于不同的磁各向异性，边界条件和交换效应，自旋波的分散行为可以*改变。特别是，长波长自旋波（也称为“磁性声波”）可用于低频通信，而短波长高频磁体适用于THZ级信号处理。它可调的分散特性为多波段信息处理提供了自然平台。自旋波的最小能量元件称为磁磁体或磁体器，简称为磁子（镁）。磁铁属于玻色粒准颗粒。这意味着他们遵守了Bose-Einstein的统计数据，并且不受Pauli不兼容原则的限制。他们可以在低温下聚集到同一状态，形成所谓的磁石冷凝。与电子不同，Magneton不会携带电荷，因此它们不会在传播过程中引起电阻加热，从而*降低了信息传输的能源消耗。它的统计特性使多个磁子可以同时传播不同频率和相的信息，从而实现了自然波长的多路复用和并行处理函数。在旋转统治后，镁质已经成为另一个新兴的跨学科主题。 Magneton的魅力在于：•快速传播：在传统的电子设备中，信息是通过电路中的电子移动传输的，就像城市中的交通系统一样，很难在交通拥堵中移动。磁铁就像光波一样，在磁性材料中逐层逐层传输，而无需电子真正移动，从而*提高了信号传播的效率。理论研究表明，磁子的组速度每秒可以达到数千米，远远超过了许多半导体设备的响应速度，为高速信号处理提供了新的可能性。 •极低的能源消耗：因为磁子传输了电子的“舞蹈姿势”而不是“跑步”，所以它不依赖于电子的物理运动，这*降低了由电阻引起的能量损失。此功能在将来的节能电子系统的构建中尤其重要。在“碳中立性”和“绿色计算”的时代，Magneton技术被认为是突破现有能源效率限制的强大候选人。 •低热量产生：由于电流流动，传统的电子设备势必会伴随着焦耳热，并且散热问题已成为减少芯片减少和整合改进中最大的瓶颈之一。磁铁不依赖电子流，因此它们几乎不会产生热量。同时，新发明的新磁体阀，磁铁连接和磁铁晶体管在纳米阶的顺序均具有垂直和横向尺度，可以形成Magneton存储，逻辑操作和传感器的基本单元。这意味着未来的计算设备可以使尺度较小，密度较高，频率更高，速度更快，最低热能消耗以及更可靠的总体性能。它们甚至可以减少散热设备的体积，使薄而轻的移动设备更适合室温和“凉爽”。

例如：科学家正在尝试使用磁子来开发新的信息处理体系结构- 宏伟的计算。这种计算方法不再依赖晶体管切换的“ 0”和“ 1”，而是使用不同频率，相位和振幅的磁子来编码和操作信息，就像播放具有不同节奏鼓节奏的程序一样。初步实验显示了用于自旋波逻辑门，干涉仪和波导的原型设备，表明Magneton计算可能会在人工智能，边缘计算甚至将来的量子计算领域发光。也许在不久的将来，我们的计算机将不再依靠电子“跑步”来执行操作，而是像海洋一样，悄悄地散发出“微波”的波浪，并用“浪潮”的语言讲述了信息世界的故事。

未来的想象力：Spin Electronics无限可能性的应用远不止于此。它还为未来技术打开了新的门，例如微观钥匙，悄悄地解锁了明天世界的各种可能性：超低的功耗设备：想象一下，未来的手机可能不再需要经常被充电，并且只需几天甚至几周就可以通过一笔费用使用。这不是幻想，而是由Spintronics绘制的真正蓝图。通过利用电子的自旋状态传输和处理信息，该设备无需让电子经常运行，从而*降低了能耗。这意味着未来的智能设备将更加环保和持久，并且更适合在远程，远程和不便的地方部署，例如深海传感器，空间探针，甚至是皮肤贴合的灵活生物电子学。医疗创新：我们的身体实际上是“磁场交响乐团”。 ——心跳，大脑活动和神经信号将产生弱且复杂的磁场。旋转技术将前所未有的检测方法带入了医学。基于自旋的磁性传感器不仅非常敏感，而且甚至可以在没有接触的情况下“听到”这些微小的磁场波动。例如，用于磁脑电图（MEGS）使用的超导量子干扰装置（Squid）已经可以绘制大脑活动的空间图，而将来更便携的旋转传感器可能会用于日常健康监测，癫痫警告，甚至是神经性疾病的早期筛查。量子传感：借助旋转的量子特征，科学家正在开发一种超出经典限制的传感技术。量子自旋传感器不仅可以测量极弱的磁性，电或温度变化，而且其精度甚至接近理论极限。将来，它们可能会成为地质探索的“透视眼”，发现地球上深处的矿物质和结构。它们也可以在航天器上携带，以为深空探索和自动导航提供精确的支持。量子时代的“俱乐部眼”和“分流耳朵”可能是从实验室悄悄诞生的。新的计算体系结构：当传统计算遇到瓶颈时，科学家开始从他们的大脑中寻找灵感。我们的神经网络不是通过“开关”来工作的，而是通过突触强度和信号模式来处理信息。旋转设备只能模拟这种行为：旋转状态的非挥发性，可调性和交互性为构建类似脑样计算的理想材料基础。研究人员将诸如“旋转神经网络”，“旋转突触”和“旋转整流器”之类的新概念结合在一起，希望创建一个新的计算体系结构3——不仅更接近人类大脑的思维方式，而且还可以实现更快，更能节省能源的人工智能。也许未来的机器人不再只是执行指示的“机器人武器”，而是真正具有学*和理解能力的“思想家”。图6：旋转与田间之间的相互作用（图片来源：九州大学的唐卡实验室）

挑战与希望：科学探索的新界限图7：SpinTronics设备带来了突破微电子学限制的可能性（图像来源：Yakout：Yakout，S.M. Spintronics:新的数据存储和通信设备的未来技术。JSupercond Nov Magn 33，2557-257-2580（2020202020202020）。目前，科学家正在解决以下问题：•室温稳定性：如何在室温环境中保持电子旋转是一个关键问题。 •有效的操纵：如何更准确地控制自旋的“舞蹈”以实现复杂的信息处理。 •自旋协调：获得更多的电子同步到“舞蹈”需要新的技术突破。解决每个挑战的解决方案将使Spintronics更进一步，还将带来破坏性的技术创新。

最后写：微型舞者，利用未来。每当我在实验室的微观世界中观察到这些小型舞者时，我总是真诚地叹息：自然的奇观远远超出了我们的想象力！谁会想到微型电子可以带来如此巨大的能量和“舞蹈”？ Spinelectronics以独特的方式重塑了信息界的基本逻辑，从非易失性数据存储到旋转量子信息传感，从类似大脑的计算到绿色的低碳芯片，它正在为技术的未来打开了大门。将来，Spintronics可能成为促进下一次信息革命甚至工业变革的关键力量。在通往未来的这条探索之路上，中国科学院的M02研究小组M02研究团队一直扮演着先驱者的角色。自2002年成立以来，研究团队一直致力于发现与自旋相关的量子效应，并根据“ Spinelectronics材料，物理和设备”的核心研究方向探索设备原理。它发表了400多篇SCI学术论文，在中国和美国和日本等国际专利获得了100多项专利专利。 It has discovered a variety of new spin quantum effects and developed more than 10 advanced spin electronic prototype devices, covering new In many fields, a series of innovative and important achievements with international advanced level have been achieved in the field of magnetic valves, magneton junctions, magneton transistors, second and third generation magnetic random memory MRAM, nonvolatile multifunctional programmable spin logic, spin resonance tunneling diodes, spin light emitting二极管，自旋纳米振荡器/微波检测器，可调式自旋随机数发生器和受限的玻尔兹曼机器，高灵敏度和低噪声TMR磁敏感传感器等。研究团队由研究人员Han Xiufeng领导。研究员韩Xiufeng毕业于吉林大学。他曾在国际知名的研究机构（例如日本的Tohoku University，美国新奥尔良大学和爱尔兰的Trinity College）从事Spintronics研究。他目前是国际期刊JMMM的副总编辑，JMMM是Spin和Sensor等杂志的编辑委员会成员，并且已经编辑并参与了许多专着的出版物，例如《自旋电子学导论》。作为国家杰出青年基金会和国家“一百万百万人才项目”的候选人，他带领团队不断促进Spintronics的基本理论，物质发展和设备创新。 2006年，他领导着开发新的Nanoring STT-MRAM，以及随后的Nanoring旋转纳米振荡器/微波检测器，纳米旋转随机数发生器，自旋共振隧道二极管和其他示范设备。 He also won the 2013 Beijing Science and Technology First Prize and the 2018 Asian Magnetics Alliance Award (AUMS Award) for his outstanding contributions in spintronics, magnetonosciences and magnetism and their applications, and was selected as a foreign academician of the European Academy of Sciences in 2024. Standing at the starting point of a new round of scientific and technological revolution, we are closer to this information age dominated by quantum dance than ever.让我们继续跟随这些微型舞者的脚步，并在磁场的节奏中探索更有效，更聪明，更绿色的未来。我相信，在不久的将来，Spintronics和Magnetons肯定会在许多尖端领域，例如信息科学，人工智能，物联网，深空探索和医学诊断，并成为利用未来信息科学技术的关键支点！编辑：装饰