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手性自旋电子学如何改变计算
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自旋电子学如何彻底改变计算领域
硬件计算的世界逐渐开始超越硅芯片，甚至超越经典的二进制计算形式。
这是因为我们的计算机和数据中心中常用的芯片和内存越来越难以制造，最新一代的晶体管尺寸仅有几纳米。
另一个因素是，随着对计算能力（尤其是人工智能系统）的需求不断增长，能源消耗正成为一个问题。
已有许多解决方案被提出，其中量子计算和光子学是最突出的选择，它们可以减少计算需求或提高计算速度并降低能耗。
另一种是自旋电子学，它利用电子自旋（一种量子特性），而不是电流（电子的流动）。
自旋电子学的优势和潜在应用
电子元件，例如晶体管，传统上是由硅制成，并依赖于半导体。二进制中的0和1信号表示电流的通过或阻断。
执行计算的另一种方法是通过自旋电子装置，它依靠电子自旋（基本量子特性）而不是电流（电子流动）运行。
来源: 洞察 IAS
数据可以编码在自旋角动量（可以想象为电子内置的“向上”或“向下”方向）和轨道角动量（描述电子如何围绕原子核运动）中。
因为它包含的信息不仅仅是 0 和 1，所以自旋每个原子可以包含比传统电子设备更多的数据。
- 数据速度更快，因为旋转可以更快地改变。
- 能耗更少，因为改变自旋所需的能量比维持电子通量以产生电流所需的能量还要小。
- 可以使用简单的金属代替复杂的半导体材料。
- 自旋比半导体状态的波动性更小，使得数据存储更加稳定。
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| 特性 | 传统电子产品 | 自旋电子学 |
|---|---|---|
| 信息载体 | 电流（0 或 1） | 电子自旋（向上/向下） |
| 能源效率 | 高电力需求 | 降低功耗 |
| 速度 | 受电流限制 | 更快的自旋切换 |
| 材料种类 | 复合半导体 | 简单金属/氧化物 |
| 数据稳定性 | 易失性存储 | 稳定、不易挥发 |
自旋电子学自 1990 世纪 XNUMX 年代以来已在硬盘读取头中实现商业化，在过去几十年中显著提高了存储密度。
“自旋是电子的量子力学特性，它就像电子携带的一块微小磁铁，指向上方或下方。
我们可以利用电子自旋在所谓的自旋电子学设备中传输和处理信息。”
自旋电子学最近取得了许多进展，例如， 自旋损失可以转换回磁化强度，使自旋电子器件更加节能， 或者那个 自旋电子学和石墨烯 可以 为下一代量子电路提供动力.
科学家们仍在探索改进自旋电子器件的新方法，例如韩国首尔国立大学、高丽大学、韩国科学技术研究院和美国范伯格医学院的研究人员。他们创造了能够控制电子自旋的磁性纳米螺旋，这可能会开创一个全新的领域——所谓的“手性自旋电子学”器件。
他们在著名科学杂志《科学》上发表了他们的研究成果1， 在标题之下 ”通过手性铁磁纳米螺旋进行自旋选择性传输“。
手性自旋电子学
自旋电子学中的手性是什么？
在自然界中，对称性是许多事物的基本特征，包括DNA的成分和光本身。两个几乎相同的分子可能并非在组成或形状上有所不同，而是在取向上有所不同，这一概念被称为“手性”。
手性可以用最简单的形式来解释，即尽管我们的双手在形状、结构和功能上完全相同，但左手与右手却有所不同。
手性在生物学中起着重要作用，自然选择只选择了“右手性”的 DNA 分子、糖和氨基酸（蛋白质的基本成分）。
然而，它在无机材料中很少见，无机材料往往是无序的或没有手性的晶体。
金属如何获得自旋电子学的手性
科学家们通过电化学控制金属结晶过程，成功创造出左手和右手手性磁性纳米螺旋。钴铁合金因其铁磁性而被选中。
该过程中的一个关键创新是使用微量的手性有机分子，例如辛可宁或辛可尼丁，来引导螺旋的形成。
“在金属和无机材料中，合成过程中控制手性极其困难，尤其是在纳米尺度上。
事实上，我们只需添加手性分子就可以对无机螺旋的方向进行编程，这是材料化学领域的一个突破。”
为了证明这些纳米螺旋的手性，他们测量了螺旋在旋转磁场下产生的电磁场（EMF）。
这创造了一种简单的方法来测试材料是否正确生产，因为左手和右手螺旋产生相反的 EMF 信号，从而可以定量验证手性，而不需要磁性材料与光强烈相互作用，这是检查手性的通常方法。
更重要的是，他们发现这些手性磁性金属也能相应地引导自旋：它们优先允许一个方向的自旋通过，而相反的自旋则不能。
“手性在有机分子中是众所周知的，其结构的旋向性通常决定了其生物或化学功能，”
手性自旋电子学的潜在应用
通过材料固有的磁化（自旋排列），室温下的长距离自旋传输成为可能。
事实证明，无论手性轴与自旋注入方向之间的角度如何，这种效应都是恒定的。由于在同尺度的非磁性纳米螺旋中没有观察到这种现象，因此它似乎与手性磁性螺旋直接相关。
这将是在相对宏观尺度的材料中首次发现不对称自旋传输。
该团队还展示了一种显示手性相关传导信号的固态设备，为实际的自旋电子应用铺平了道路。
“这些纳米螺旋仅凭其几何形状和磁性就实现了超过约 80% 的自旋极化，”
这是结构手性和内在铁磁性的罕见组合，能够在室温下进行自旋过滤，而无需复杂的磁路或低温技术，并提供了一种利用结构设计来设计电子行为的新方法。”
这项新技术的另一个优点是制造过程相对简单且便宜，不需要使用稀有材料或复杂技术。
“我们相信该系统可以成为手性自旋电子学和手性磁性纳米结构架构的平台。
这项工作代表了几何学、磁性和自旋传输的强大融合，由可扩展的无机材料构建而成。”
要充分探索这一新理念和新材料的潜力，我们还有很多工作要做。例如，链的数量（双螺旋、多螺旋）可以随意调整，并可能产生一些尚未发现的不同特性。
利用这种多功能电化学方法控制手性（左/右）甚至链数（双螺旋、多螺旋）的能力有望为新的应用领域做出重大贡献。
由于生产的简易性和长距离自旋转移的可能性，这对于生产完全基于自旋的计算机和网络非常有用，并且具有能耗较低和数据存储稳定带来的经济优势。
投资自旋电子创新者
1. Everspin 技术
(MRAM )
Everspin 是飞思卡尔（现更名为恩智浦，股票代码：NXPI）的一个分支，致力于开发 MRAM 存储系统，这是目前商业化最常见的自旋电子学形式。该公司于 2016 年分拆上市。
Everspin 被认为是 MRAM 技术（磁阻随机存取存储器）的领导者，继承了飞思卡尔的经验 2006 年首次实现 MRAM 芯片商业化.
由于 MRAM 是一种即使在没有电流的情况下也能持续存在的存储器，因此它越来越多地用于关键数据非常重要而不能丢失的敏感用例。
在数据分析、云计算（陆地和外星）、人工智能 (AI) 和边缘人工智能（包括工业物联网）等普及应用的推动下，持久内存市场预计将在 27.5 年至 2020 年期间以 2030% 的复合年增长率增长
来源: 永转
该公司估计，到 7.4 年，市场规模将达到 2027 亿美元。自 2021 年以来，该公司一直没有债务，自由现金流为正。
Everspin MRAM 产品目前占据着一个小但不断增长的市场，服务于可靠性至关重要的市场，如航空航天、卫星、数据记录器、病人监护设备等。
来源: 永转
芯片组、人工智能和突触系统的增长也可能为该公司带来长期推动力。
2. NVE公司
(NVEC )
自旋电子学的另一位领军人物， NVE 自 1995 年获得 MRAM 技术的第一项专利以来一直致力于这项技术. 它产生自旋电子 传感器 以及 隔离器，主要用于汽车、齿轮、医疗设备、电源和其他工业设备的测量和传感器系统。
来源: NVE
这使得 NVE 与 Everspin 处于略有不同的类别中，NVE 更像是一家在利基市场（使用自旋电子学的磁力仪）中占据强势地位的工业公司，而 Everspin 更像是一家内存 / 计算公司，与英特尔、高通、东芝和三星等公司合作并竞争，这些公司也在开发自己的 MRAM 产品。
根据投资者的情况，它可以使股票更具（或更不具）吸引力，NVE 的股票更有可能吸引寻求股息收益率和安全性的更保守的投资者。
参考研究
1. 刘尚全中，Et。 通过手性铁磁纳米螺旋进行自旋选择性传输. 科学. 4/2025/XNUMX. 第 389 卷，第 6764 期. pp.1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
