石墨烯立功：自旋计算机现新曙光

通过在 石墨烯中完成隧道自旋注入，加州大学河滨分校的物理学家们完成了自旋计算机(spin computer)研发中非常重要的一步。

物理学告诉我们，电子可以根据旋转方向进行分类，称之为“自旋”(spin)，包括上旋(spin up)、下旋(spin down)两种状态，正好对应数字存储中的0、1。自旋计算机就是基于电子自旋原理，利用电子自旋状态存储和处理海量数据，相比于现在使用的传统电子计算机不仅数据量更大，而且能源消耗和发热量更低，速度也要快得多。

“隧道自旋注入”(tunneling spin injection)是一个用来描述绝缘体电导率的术语，因为今年诺贝尔物理学奖而再次引起关注的 石墨烯(graphene)则一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子蜂窝状面材料，是碳的二维结构。石墨烯异常坚硬而又有弹性，是电的良导体，而且抗热性很好。

领导此次自旋计算机研究项目的是加州大学河滨分校物理和天文学助教Roland Kawakami。他解释说：“在室温条件下，石墨烯是自旋传导属性最好的材料之一，因此是自旋计算机的最佳实验对象，但是从铁磁电极向石墨烯的电子自旋注入效率非常低，更让人担忧的是观察所得自旋寿命只有预想的几千分之一。我们需要更长的自旋寿命，因为寿命越长，能执行的计算操作就越多。”

为了解决上述问题，科研人员们在铁磁电极和石墨烯层之间插入了一个只有几纳米厚的绝缘层“隧道结”(tunnel barrier)，自旋注入效率因此得以明显提高。

Kawakami说：“绝缘体向石墨烯的量子隧道自旋注入效率提高了30倍。同样有趣的是，绝缘体就像是个单向阀门，只允许电子在一个方向上流动，也就是从电极向石墨烯，而不能反过来。绝缘体有助于将注入的自旋保持在石墨烯之内，这也是自旋注入效率提高的关键所在。这种不同于直觉的结果是石墨烯隧道自旋注入的第一次展现。现在我们创造了石墨烯自旋注入效率的世界纪录。”

根据霍尔测量，隧道结的插入还让自旋寿命从典型的100皮秒(百亿分之一秒)延长到了大约500皮秒。Kawakami指出，从理论上说，石墨烯应该有着极长的自旋寿命，这也是它的一个特性，正因为如此才有希望促成自旋计算机。

至于这种所谓的自旋计算机什么时候能够开始实用，那可有的等了。