从烤面包机到笔记本电脑，所有电器都依赖于亚原子物理学的一个方面：电子的负电荷。电荷使电流通过迷宫般的电线流动，从而完成有用的事情，例如激活加热元件或编码数据。但电子的另一个特性——自旋，可以极大地扩展粒子的用途。自旋电子学这项新兴技术远远超越了今天的电子产品，可能很快就能将电影存储在掌上电脑（PalmPilot）上，或者制造出一种全新的计算机。
这种技巧背后的原理看似简单。暂时忽略量子世界的怪异之处，电子可以被认为是一个微小的旋转条形磁铁，有两种可能的方向：自旋向上或自旋向下。工程师可以通过其磁场的相应方向（北极向上或北极向下）来区分自旋向上和自旋向下的电子。反之，正确施加的磁场可以将电子从一种状态翻转到另一种状态。通过这种方式，可以测量和操纵自旋来表示数字编程中的0和1，类似于传统硅芯片中的“电流开”和“电流关”状态。
摄影：Adam Magyar | 无
IBM基于自旋的M-RAM芯片无需供电即可存储数据。告别电池耗尽和漫长的电脑启动时间？图片由IBM提供
广义上讲，第一个与自旋相关的技术是指南针，一块金属，其中电子自旋大多指向同一方向以产生磁场。这个磁场反过来试图与地球的磁极对齐。“我们永远都在使用自旋。磁性源于电子携带自旋的事实，”马里兰大学帕克分校自旋电子学小组负责人、物理学教授Sankar Das Sarma说。但他表示，利用电子的磁性并不真正符合自旋电子学的定义，除非你开始有意地来回翻转粒子的自旋并将其从一种材料移动到另一种材料。
全面的自旋电子学方面的首次重大突破发生在大约十年前的IBM阿尔马登研究中心，当时材料科学家开始寻找将更多数据压缩到计算机硬盘驱动器上的方法。硬盘驱动器利用电荷在记录材料中放置微小的磁场斑点；然后通过测量磁场在不同位置的指向来读取编码数据。
IBM项目借鉴了两个欧洲科学团队的研究成果，他们于1988年发现了被称为巨磁阻（giant magnetoresistance）的自旋相关效应。研究人员从一个自旋全部锁定在同一方向的磁性材料开始，添加了一层薄金属，并在其上方放置了另一种自旋可以翻转的材料。如果两层中的自旋方向相同，电流很容易从这种复合材料的顶部流到底部，但如果自旋方向相反，电流就会面临更高的电阻。理论上，这种设置提供了一种更灵敏的方式来读取磁盘上的数据，但巨磁阻似乎只发生在昂贵、纯净的晶体中，且需要暴露在强磁场中。
到1991年，阿尔马登团队发现他们可以在更便宜的材料中实现相同的效果，这些材料对弱得多的磁场也有反应。研究人员最终制造了一个由这些自旋电子“三明治”之一组成的磁性读写头。旋转硬盘上的磁化区域使读写头中的自旋状态来回翻转，从而传输数字数据。自旋电子读写头可以检测比旧设备弱得多的磁场，因此每个数据位可以小得多。“它是室温下世界上最灵敏的磁场探测器，”阿尔马登的Stuart Parkin说。自旋电子学是如今硬盘驱动器容量达到100千兆字节甚至更多的原因，而五年前还不到1千兆字节。
现在，Parkin以及霍尼韦尔、摩托罗拉和海军研究实验室的研究人员正在尝试基于相同原理创建基于自旋的计算机内存，称为磁性随机存取存储器（M-RAM）。一个原型设计包含一系列微小的磁性“三明治”，放置在硅芯片上，位于纵横交错的线阵列之间。通过电线的电流翻转自旋，自旋会保持不变直到再次改变。测量特定“三明治”的电阻可以判断它代表1还是0。
快速激光脉冲控制电子的自旋。峰值高度表示每个脉冲对粒子倾斜的强度。图片由David D. Awschalom/加州大学圣巴巴拉分校提供
在传统台式电脑中，随机存取存储器（仅在设备开机时可用）每秒通过一次电涌刷新60次。相比之下，M-RAM几乎没有电力需求。美国宇航局对此很感兴趣，因为M-RAM可以建造寿命更长、功能更复杂的航天器，而无需额外的电力。在更实际的应用中，M-RAM可能导致即时启动的电脑和内置大量内存的手机，可以存储整个对话。“你可以做今天无法完成的各种事情，比如在你的PDA上播放视频，”Parkin说，他预计IBM将在2004年销售M-RAM。
再往前看，自旋电子学可能会实现一种长期以来追求的、革命性的数据处理方式，即量子计算。根据量子力学定律，电子可以同时处于自旋向上和自旋向下的状态。这种混合状态可以构成一台计算机的基础，它不是基于二进制位，而是基于量子位（qubit）。“它不仅仅是1或0，而是1和0的任何组合。这是长期以来出现的首批真正革命性的计算概念之一，”加州大学圣巴巴拉分校自旋电子学和量子计算中心主任David Awschalom说。将问题输入量子计算机，它不会一次尝试所有可能的结果，而是可以同时计算所有结果。然而，除非出现意想不到的突破，Das Sarma认为至少要50年才能有人建造量子计算机。
在此之前很久，自旋电子学的好处可能会波及电子学的其他领域。今年早些时候，Awschalom和他在加州大学圣巴巴拉分校以及宾夕法尼亚州立大学的同事证明，他们可以将一团电子从一种半导体材料拖到另一种材料，而不会扰乱这团电子的自旋状态。这一成就为晶体管的自旋介导版本指明了方向，晶体管是几乎所有由电池供电或插入墙壁插座的设备的构建块，它起到开关的作用。“我们和任何人一样惊讶它运行得如此顺利，”Awschalom说。
自旋电子晶体管可能带来更快、更小、功耗更低的现有设备版本，但Awschalom也有一个更宏大的愿景：“新科学促成新技术的诞生。我认为最令人兴奋的将是我们甚至尚未想象到的事物。”
马里兰大学Sankar Das Sarma的研究小组撰写了一篇关于自旋电子学的有用概述，并附有该小组当前工作的链接。请访问www.physics.umd.edu/rgroups/spin/intro.html。加州大学圣巴巴拉分校的David Awschalom也有一个内容丰富的网站：www.qi.ucsb.edu/awsch。
IBM开发了第一个实用的自旋电子设备，它使用了一种称为巨磁阻的物理原理。这里有一个包含动画的在线教程：www.research.ibm.com/research/gmr.html。
如果你真的想了解量子计算，牛津大学量子计算中心是一个很好的起点：www.qubit.org。
