@ 2015.09.05 , 17:00

用自旋造芯片,传输更快更流畅

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电子学以测量通过电路的电子的微小电荷为基础。正在研发的另一种方法则是自旋电子学,它依靠的不是电子的电荷,而是它们的另一种量子力学基本性质:自旋

自旋可以用地球一边自转同时绕太阳公转来形象地表示。一个电子以同样的方式,在围绕原子核旋转的同时绕自己的轴自转。自旋分为“上”或“下”。与传统电子学用电荷来代表信息的零和一一样,自旋电子学中的两种自旋态可以用来表示相同的二进制数据。

自旋会产生微小的磁场,因而可以测量。例如铁等铁磁性金属中,如果有足够多相同自旋方向的粒子,产生和自旋一致极性的磁场,就会有磁性。

自旋电子学相比传统电子学有几个优点。电子学需要专门半导体材料,以控制流过晶体管的电荷。但自旋可以在铜或铝等常见金属中很简单地测量。改变自旋所需的能量比在器件中产生电流以维持电荷更少。因此自旋电子学器件功耗更低。

自旋态可以快速设置,使得数据传输速度更快。因为电子自旋不依赖于能量,自旋是非易失性的——用自旋发送的信息即使掉电也仍然不变。

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一个硬盘驱动器,显示圆形盘片和安装在磁头臂末端的读写头。drive by mike mols/Shutterstock.com

用自旋升级硬盘

自旋电子学在计算机中的第一个应用程序使Albert Fert教授和Peter Grünberg教授因发现巨磁阻(GMR)而获得2007年不搞笑诺贝尔物理奖。他们意识到有可能使用电子自旋来提高从硬盘读取信息的速率,并研发了突破性的技术来利用这个特性。

硬盘驱动器将数据以磁性编码为一和零存储在驱动器内的旋转盘片上。电流通过安装在驱动器读写头上的线圈时就产生磁场,磁头在磁盘表面移动,改变盘片表面磁性敏感颗粒的排列。反转电流就会反转磁场;两个方向代表一和零。从磁盘读取时整个过程反过来进行。

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硬盘驱动器读/写头。 amagill, CC BY

GMR磁头由两个铁磁层组成,一个具有固定的磁场方向,另一个能与磁盘上编码的磁场自由对齐,一个非磁性层夹在中间。

当电子穿过磁场时,其自旋态可能会改变,这称为散射。电子具有随机分布自旋态时,就对电流产生较大的阻抗。通过把电子自旋态与磁头层中的磁场对齐,GMR技术大大减少了阻抗,加快数据传输。由IBM在1997年首先引入,巨磁阻技术已经带来了从前不可能的更快、更高密度的硬盘。

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把自旋放进内存

自旋电子学研究者们从那时起就一直致力于把同样技术引进计算机内存,致力于用磁性随机存取存储器(MRAM)取代以电流为基础的动态随机存取存储器(DRAM)。由EverSpin出品的首个商业产品,由于其对热应力和影响高海拔巡航飞机的宇宙射线暴露下的可靠性,已经应用在空客飞机和宝马摩托车上。

MRAM利用相同的基于自旋磁场的方法,但使用磁致电阻效应单元来存储数据,而不是像硬盘那样的旋转盘片。虽然它不如DRAM一样快,磁性单元能够不用电力就维持其存储的自旋方向,亦即它们所代表的数据。MRAM很可能会首先取代常用的闪存储器,如SD卡和CF卡,因为它速度更快、并且不受闪存有限寿命的困扰。

其他厂商如英特尔、高通、东芝和三星正在研发MRAM作为处理器的高速缓存,凭借其较小的尺寸,更大容量的MRAM芯片能被集成进更小的封装,而且运行更快,还比现行缓存功耗少至多80%

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随着电子学接近硅的极限,自旋电子元件将发挥重要作用,以确保我们享用稳定的性能提升,以及更低功耗和成本的更高容量存储。

本文译自 The Conversation,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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