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自旋電子學可能不是出現在日常討論中的詞，但多年來它已經徹底改變了計算機技術 。它是物理學的一個分支 ， 涉及操縱電子流的旋轉 ， 在90年代末首次以磁性計算機硬盤驅動器的形式傳輸給消費者 ， 其存儲容量是其前輩的幾百倍 。
這些和其他電子設備已經得到了改進，使計算機再次變得更強大，更不用說更酷和更節能了——從MP3播放器到今天的智能手機 。英特爾和谷歌去年推出了量子處理器，三星和Everspin幾個月前推出了MRAM芯片 。預計這項新技術將大大提高計算性能——例如，據估計，電力需求的潛在減少可能超過99% 。
即便如此，所有這些進步都是在一個主要限制下實現的：旋轉操作僅限于單個超薄磁性材料層 。這些層中的幾十層通常堆疊成“三明治”結構，通過復雜的界面和互連相互作用，但它們的功能本質上基本上是2D 。
像斯圖爾特帕金這樣的行業領導者創造了IBM最初的自旋電子驅動計算機硬盤——桌面星16GP泰坦 。多年來，他們一直在說，磁性計算的最大挑戰之一是轉向更靈活、更強大的3D版本 。
這將看到在3D磁性層堆棧中的任何點傳輸、存儲和處理的信息 。最近的開創性進展已經開始使這種變化更加接近，但是我們仍然面臨巨大的挑戰來實現同樣程度的控制，因為我們有兩個維度 。
在格拉斯哥大學和劍橋大學牽頭的新論文中 ， 我們與漢堡大學、埃因霍溫技術大學和阿爾托大學理學院的研究人員合作，朝著這個目標邁出了重要的一步 。
旋轉和充電 。
傳統電子學基于電子帶有電荷的事實 。在基本計算機中 ， 芯片和其他單元通過發送和接收微小的電脈沖來傳輸信息 。它們為脈沖注冊“1”，為無脈沖注冊“0”，通過計算這些重復 ， 它們成為指令語言的基礎 。
傳統的磁性硬盤驅動器也依賴于與電荷相關的特性，但它們的工作原理不同 。扁平圓盤的一個非常小的區域通過它的兩個可能的磁方向記錄0和1 。磁驅動有很大的優勢，即使電源關閉 ， 數據仍然存在，盡管記錄和檢索信息的速度比使用我們在計算機電路中發現的晶體管要慢得多 。
自旋電子學是不同的：它利用電子的電荷和固有磁性——也稱為自旋 。自旋和電荷之間的差異有時被比作地球繞太陽運動的方式，但它也繞著它的軸旋轉 。然而，雖然電子總是帶負電荷 ， 但它們可以“向上”或“向下”旋轉 。
人們發現，在20世紀80年代后期，如果電流通過由夾在兩個磁性層之間的非磁性片形成的器件傳導 ， 器件電阻的電子流將顯著依賴于磁體的內部取向并改變兩個磁性片 。
這種效果可以很容易地在硬盤驅動器中使用 。作為非常敏感的傳感器，這些自旋電子系統可以在同一區域讀取比以前的硬盤驅動器更多的零和磁信息，從而改變存儲容量 。它被稱為巨磁電阻 ， 后來因為艾爾伯費爾和彼得格倫伯格同時發現了它而獲得了諾貝爾物理學獎 。
手性自旋電子學 。
自從自旋電子學誕生以來，已經取得了許多重要的進展，包括最近在手性自旋電子學領域令人興奮的進展 。我們通常認為這兩個磁體沿著180度的直線有“北”和“南”的相向或相背旋轉——看指南針視頻朝向終點——比如在一定條件下，原子層面在小磁體下也呈現手性自旋相互作用 。這意味著相鄰的磁體傾向于以90的角度定向 。
這些相互作用的存在是創建和操縱稱為磁skyrmions的偽粒子的關鍵因素，這些偽粒子具有拓撲特性，因此它們可以更有效地執行計算應用，并具有進一步改善數據存儲的巨大潛力 。
然而，到目前為止，在2D自旋電子學中只觀察到并利用了手性自旋相互作用 。在我們的新論文中 ， 我們首次表明這種相互作用也可以發生在位于由超薄非磁性金屬層隔開的兩個相鄰磁性層中的磁體之間 。
出于這個原因，我們使用了一種叫做濺射的技術來制造一個八層設備來沉積納米尺度的薄膜 。我們必須仔細調整各層的界面 ， 以平衡其他磁相互作用 。我們用激光研究了室溫磁場下系統的行為 。我們在漢堡大學的合作伙伴通過互補磁模擬證實了設備的行為 。
這一發現為進一步發展3D自旋電子效應開辟了一條新的令人興奮的途徑 ， 手性自旋相互作用起到了關鍵作用，創造了一種在整個3D空間存儲和移動磁數據的更緊湊有效的方式 。未來的工作將集中在尋找方法來增加這種互動的強度，并擴大具有影響力的設備的范圍 。我們希望我們的工作將引起人們對自旋電子學的極大興趣，并鼓勵業界繼續致力于基于這些新概念的磁性計算設備 。
【它為進一步發展三維自旋電子效應開辟了一條新的令人興奮的途徑】自旋電子學第一次對計算市場產生了非?？斓挠绊憽獜陌l現巨磁電阻到1997年推出IBM的Deskstar16GPTitan只用了8年時間 。3D的飛躍仍然需要克服多重障礙 ， 需要精確制造非常規計算架構中利用磁交互的必要設備 。我們最近的發現使我們更接近實現這個極具挑戰性但令人興奮的目標 。會話
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