俄亥俄州立大学的这一新研究首次证明，金刚石可以作为计算机数据传输的介质，而且其效果要优于早先研究中使用的金属材料。这一研究结果已于3月23日发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）。
该研究属于一个新兴领域——自旋电子学。这一领域的相关研究成果可以显著提升计算机性能。实验中发现，电子在金刚石导线中并不会像它们在普通导线中那样移动；相反，电子并不移动，而电子的一种被称作“自旋”的磁效应则会通过导线传递给其他电子。这种方式类似于看台上观众组成的“人浪”。
俄亥俄州立大学著名实验物理学家、研究领导者克里斯·海默尔（Chris Hammel）认为，金刚石在自旋电子学领域有着十分重要的研究价值。因为金刚石是一种坚硬、透明的电绝缘材料，而且它耐酸、性质稳定，也不像半导体那样容易发热。
金刚石内部的碳原子排列非常紧密，没有游离的电子，所以金刚石本身不能传递电子自旋。海默尔表示：“正因为金刚石太稳定了，所以之前科学家一直认为，这是一种除了装饰戒指以外没什么用的材料。但是，将它用于计算机中这一想法却十分有趣。”在这次研究中，研究人员将氮原子插入碳原子之间，这样导线中就有了可以改变自身自旋态的未成对电子。每300万个碳原子中仅需插入一个氮原子，就足以使电子的自旋在钻石导线中传递。
海默尔的研究团队将一截经过改造的、长度4微米、宽200纳米的金刚石导线降温至4.2开尔文（约合零下269摄氏度），放在磁共振力显微镜下观察，结果显示导线内电子的会按照某种模式改变其自旋态。
a. 磁共振力显微镜测量导线中电子自旋噪声示意图。共振线圈可以在磁性颗粒周围的磁场中形成共振切片。随着悬臂的运动，磁场也会发生相应的变化，共振切片会扫过探针。探针正中间探测到的自旋信号（实心红色）强度最大，越靠近探针边缘信号越弱。b-e. 示意图展示了探针扫过导线（浅黄色长方形区域）的过程。双箭头表示随着探针的移动，电子自旋反转的传递方向。f. 自旋信号（紫色圆点）随着探针位置的变化，当探针完全进入导线（图e）时，限号强度达到最大。g. 自旋相关时间（绿色菱形）。一开始（图b）自旋在探针外侧快速传递，但是随着探针进入导线（图c），自旋需要传递更远的距离才能离开探针，这导致了时间的增加。一旦探针完全进入导线（图d，e）自旋可以向探针的两侧传递，此时时间开始减少，约为峰值的一半。研究者供图。
这种金刚石导线的价格比钻戒便宜很多，只要100美金。不过它使用的不是天然金刚石，而是人造金刚石。“如果这种导线被用于计算机，它就可以用来传输信息。导线一端的电子的自旋态会通过导线传递给位于另一端的电子。”海默尔说。
研究中还发现，位于导线末尾的电子的自旋态的维持时间是导线中间的电子的两倍，而之前的实验则认为二者的持续时间应该相同。
尽管目前的研究成果离成功制造出金刚石晶体管还很遥远，但是研究为科学家理解电子自旋提供了一个新的角度。
在过去的实验中，科学家只能观察到物体中电子自旋态的平均值：自旋方向向上和向下的电子的总数。所以只要总数不变，科学家无法得知电子自旋方向是如何改变的。但是，这一研究将改变过去70年来科学家对于电子自旋的研究方法。
海默尔认为：“我们需要的不是平均值。我们想知道自旋方向到底是怎么改变的，以及特定自旋态的持续时间。”
文章来源：ScienceDaily，Spintronics: Could diamonds be a computer's best friend?
文章题图：shutterstock
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参考资料
- Jeremy Cardellino, Nicolas Scozzaro, Michael Herman, Andrew J. Berger, Chi Zhang, Kin Chung Fong, Ciriyam Jayaprakash, Denis V. Pelekhov, P. Chris Hammel. The effect of spin transport on spin lifetime in nanoscale systems.Nature Nanotechnology, 2014; DOI: 10.1038/nnano.2014.39