作者：張然 | 中國科學(xué)院大學(xué) 培養(yǎng)單位：中國科學(xué)院物理研究所 審核：萬蔡華 副研究員 | 中國科學(xué)院物理研究所

你有沒有想過，在我們看不見的微觀世界里，電子們正在跳著一支神奇的舞蹈？這不是科幻小說的場景，而是實實在在的量子物理現(xiàn)象——電子自旋。今天，讓我們一同走進這個奇妙的領(lǐng)域，感受電子們?nèi)绾斡盟鼈儶毺氐摹蔽枳恕备膶懳覀兊奈磥怼?/p>

最小的陀螺？認(rèn)識電子自旋

說起電子，大多數(shù)人的第一印象可能是它們帶著負(fù)電荷，在導(dǎo)線中飛速“奔跑”，形成電流。但你知道嗎？電子不僅會“跑步”，還會“跳舞”！這種神秘的“舞蹈”被稱為“自旋”。

自旋是什么呢？試想一個微型陀螺，永不停歇地旋轉(zhuǎn)。奇妙的是，這個陀螺不像我們熟悉的玩具那樣可以自由改變旋轉(zhuǎn)方向，而只能以兩種固定方式“旋轉(zhuǎn)”——（逆時針旋轉(zhuǎn)，定義自旋方向）向上或（順時針旋轉(zhuǎn)，定義自旋方向）向下。科學(xué)家們把這兩種狀態(tài)分別稱為“自旋向上”和“自旋向下”，就像電子的“舞蹈姿勢”。

圖1：陀螺與電子自旋示意圖（左圖來源：LingoAce；右圖來源：Wikimedia Commons）

但要注意，這個陀螺只是一個形象化的比喻。實際上，自旋是電子在量子力學(xué)中的內(nèi)在屬性，它并不是真正的物理旋轉(zhuǎn)[1]。就像電子的負(fù)電荷是與生俱來的特性一樣，自旋也是一種存在于微觀世界中的神秘“印記”。這種“舞蹈”一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立刻震撼了科學(xué)界，也揭開了量子世界的另一面。從量子力學(xué)的角度看，自旋是一種內(nèi)稟的角動量，是粒子固有的量子性質(zhì)之一。與軌道角動量不同，自旋并非源自電子的實際自轉(zhuǎn)，而是由狄拉克方程（Dirac equation）中的對稱性引入的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)[2,3]。電子自旋態(tài)可用二維希爾伯特空間中的態(tài)矢量表示，一般形式為：

其中|↑〉，和|↓〉分別表示沿 z 軸自旋向上和自旋向下的本征態(tài)，

這些矩陣滿足一組重要的反對易關(guān)系：[

i

j

ijk

k

ijk

過去的幾十年里，我們的電子設(shè)備主要依靠電子的“跑步”工作。電子在導(dǎo)線上來回穿梭，形成電流，點亮了燈泡，驅(qū)動了計算機，推動了現(xiàn)代科技的發(fā)展。從智能手機到高性能計算機，無一不受益于這種“跑步式”的電子行為。

圖2：對比傳統(tǒng)電路和自旋器件，形象化表現(xiàn)“跑步者”和“舞者”的差別（本圖片為作者自制）

但就像馬拉松運動員跑久了會疲憊不堪，電子不停奔跑也有它的局限性。隨著設(shè)備的體積越來越小，電子的“跑步”造成的問題也日益顯現(xiàn)：

?高能耗：電子的移動會消耗大量能量，發(fā)熱問題難以避免。

?速度瓶頸：跑步的電子總有速度極限，無法滿足未來技術(shù)對高速的需求。

?微型化挑戰(zhàn)：在越來越小的設(shè)備中控制電子運動變得愈加困難。

這時，科學(xué)家們提出了一個大膽的構(gòu)想：如果電子不再依靠“跑動”工作，而是直接用它們的“舞姿”傳遞信息，會怎么樣？換句話說，電子不再是辛苦的“馬拉松選手”，而是優(yōu)雅的“芭蕾舞者”，這種技術(shù)通過控制電子的自旋態(tài)（自旋向上或自旋向下）來傳遞信息。這一思路的提出，讓電子自旋技術(shù)從實驗室走向了應(yīng)用領(lǐng)域，引發(fā)了一場全新的技術(shù)革命。

自旋的魔法：已經(jīng)融入你的生活

不要以為電子的“舞蹈”離我們的生活還很遙遠(yuǎn)，其實它們早已悄悄走進了我們的日常——你甚至每天都在使用它們的“舞姿”所創(chuàng)造的成果。比如你電腦里的硬盤，它可不僅僅是一個存儲器那么簡單。

也許你小時候聽過硬盤“咔咔”作響的聲音，那其實是磁頭在忙碌地讀取和寫入數(shù)據(jù)。而現(xiàn)代硬盤中的讀取頭早已不同凡響，它利用了一種被稱為“巨磁阻”（Giant Magnetoresistance, GMR）效應(yīng)的量子現(xiàn)象——正是電子自旋狀態(tài)對電阻的影響，讓磁頭能夠高效地識別出“0”與“1”。GMR效應(yīng)于1988年同期被兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：法國的阿爾貝·費爾（Albert Fert）[5]和德國的彼得·格林貝格（Peter Grünberg）[6]。他們分別獨立研究了多層磁/非磁金屬薄膜結(jié)構(gòu)中電子傳輸?shù)男袨椋状斡^察到電阻隨磁化方向變化而顯著改變的現(xiàn)象，這一突破為磁記錄技術(shù)開辟了全新路徑。

GMR器件的核心結(jié)構(gòu)包括兩個鐵磁層（Ferromagnetic Layer）夾著一個非磁性導(dǎo)體層（如銅）。其中一層磁矩方向相對固定（參考層），另一層磁矩方向相對可調(diào)（自由層）。當(dāng)兩層磁矩平行時，自旋極化的電子可以順利通過，自旋散射效應(yīng)較弱，整體電阻較??；當(dāng)兩層磁矩反平行時，電子在傳播過程中容易被反向磁矩散射，導(dǎo)致電阻上升。這種依賴自旋方向的電子散射機制揭示了電阻的量子調(diào)控可能性，是自旋電子學(xué)的開端。該成果于2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎[7–9]，評審委員會評價其為“納米技術(shù)時代信息存儲革命的奠基石”。這一發(fā)現(xiàn)直接推動了硬盤密度及其容量的大幅躍升，使我們今天能夠輕松存儲海量的照片和視頻等數(shù)據(jù)信息。如果沒有電子這支“舞蹈”的參與，云計算和大數(shù)據(jù)或許仍然只是停留在紙上的概念。

而如今，電子的“舞姿”正在更深入地影響存儲技術(shù)的未來。磁性隨機存儲器（Magnetoresistive Random-Access Memory, MRAM） 就是利用電子自旋特性工作的新一代存儲器件。與傳統(tǒng)閃存相比，MRAM具備諸多優(yōu)勢：（1）斷電記憶：即使設(shè)備斷電，數(shù)據(jù)也能以磁矩方向（即自旋向上或向下）的方式被存儲，不再依賴持續(xù)供電；（2）速度更快：其數(shù)據(jù)讀寫速度比傳統(tǒng)閃存快出幾個數(shù)量級；（3）低能耗：幾乎不產(chǎn)生熱量，更加節(jié)能環(huán)保。除了第一代 MRAM，科學(xué)家們還在不斷升級這項技術(shù)。例如，通過引入自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（Spin Transfer Torque, STT）[10,11]和自旋軌道矩效應(yīng)（Spin-Orbit Torque, SOT）[12–17]，開發(fā)出了更加高效穩(wěn)定的新型自旋存儲架構(gòu)。這些器件不僅速度更快、功耗更低，還有望突破“存儲與計算分離”的瓶頸，讓未來的芯片既能高效記憶，也能靈活處理。

圖3：MRAM的基本單元MTJ；GreenWave GAP9 MRAM芯片（圖片來源：XTECH）

STT機制依賴于將自旋極化電流直接注入磁性自由層。其原理是：當(dāng)自旋極化電子進入自由層時，其自旋方向與局域磁矩不一致，電子通過自旋翻轉(zhuǎn)將角動量轉(zhuǎn)移給磁矩，從而施加扭矩，實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)。該機制已廣泛應(yīng)用于第二代 STT-MRAM 中。相比之下，SOT機制則依賴重金屬（如 Pt、Ta）中強自旋軌道耦合產(chǎn)生的橫向自旋流。通過在重金屬/鐵磁雙層結(jié)構(gòu)中施加電流，可利用自旋霍爾效應(yīng)（Spin Hall Effect）或 Rashba 效應(yīng)生成垂直自旋流，作用于磁層磁矩誘導(dǎo)其翻轉(zhuǎn)。由于電流不需要垂直穿過磁性隧道結(jié)，SOT器件具備更高的寫入速度、更長的壽命與更低的寫入電流密度，尤其適合用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、邏輯加速等場景。

此外，自旋的“魔法”還體現(xiàn)在那些我們?nèi)粘２惶⒁鈪s至關(guān)重要的地方——比如你手機上的磁傳感器。你有沒有注意過，當(dāng)你旋轉(zhuǎn)手機，地圖會自動調(diào)整方向？這正是得益于自旋磁阻傳感器的精準(zhǔn)“感知”能力。這類傳感器能識別地球磁場的微小變化，是智能手機、無人駕駛汽車、可穿戴設(shè)備等的關(guān)鍵組件，被譽為現(xiàn)代生活的“電子指南針”。

更令人期待的是，下一代高靈敏度磁傳感器正在悄然誕生[18,19]。它們不僅能感知導(dǎo)航用的地磁，還能監(jiān)測極其微弱的人體生物磁信號，比如大腦的神經(jīng)活動或心臟的電磁反應(yīng)。這意味著，自旋傳感器有望成為未來無創(chuàng)神經(jīng)醫(yī)學(xué)與腦機接口的核心技術(shù)，為醫(yī)療健康帶來顛覆性變革。

圖4：韓秀峰研究員團隊及其合作者累計發(fā)現(xiàn)和實驗觀測到10種新奇自旋量子效應(yīng)、并研制出10余種新型自旋電子原型器件。（圖片來源：中國科學(xué)院物理研究所M02課題組）

磁子：微觀世界的”墨西哥人浪”

如果說單個電子的自旋是一支獨舞，那么許多電子的自旋相互作用時，就是一場宏大的“群舞”。這種現(xiàn)象被稱為自旋波，它就像微觀世界中的“墨西哥人浪”。

圖5：自旋波傳播的動態(tài)藝術(shù)效果圖，展示波浪式的自旋變化（上圖來源：SketchFab；下圖來源：Marconi Van）

一個電子的自旋變化可以通過相鄰電子傳播出去，形成波動。自旋波像光波和聲波一樣也具有波粒二象性，其傳播遵循特定的色散關(guān)系，即頻率

k

其中，

H

D

自旋波的最小能量基元被稱為磁激子或磁振子，簡稱為磁子（magnon）。磁子屬于一種玻色子準(zhǔn)粒子。這意味著它們服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，不受泡利不相容原理限制，可以在低溫下聚集到同一狀態(tài)中，形成所謂的磁子凝聚（magnon condensation）。與電子不同，磁子不攜帶電荷，因此在傳播過程中不會引發(fā)電阻加熱效應(yīng)，極大地降低了信息傳輸能耗。其統(tǒng)計特性使得多個磁子可以同時傳播不同頻率和相位的信息，實現(xiàn)天然的波分復(fù)用與并行處理功能。目前磁子學(xué)（Magnonics）成為繼自旋電子學(xué)之后的又一個新興交叉學(xué)科[22,23]。磁子的魅力在于：

?傳播速度快：在傳統(tǒng)電子設(shè)備中，信息通過電子在電路中的移動傳遞，就像城市里的交通系統(tǒng)，堵車時寸步難行。而磁子則像是一陣輕盈的海浪，在磁性材料中層層傳遞，不需要電子真正移動，極大地提升了信號傳播的效率。理論研究表明，磁子的群速度可以達(dá)到每秒數(shù)千米，遠(yuǎn)超許多半導(dǎo)體器件的響應(yīng)速度，為高速信號處理提供了新的可能。

?能耗極低：因為磁子傳遞的是電子的“舞姿”而非“奔跑”，它不依賴電子的物理運動，從而大大減少了電阻帶來的能量損耗。在未來構(gòu)建節(jié)能型電子系統(tǒng)中，這種特性尤為重要。在我們奔赴 “碳中和”、“綠色計算”的時代，磁子技術(shù)被認(rèn)為是突破現(xiàn)有能源效率極限的有力候選。

?發(fā)熱少：傳統(tǒng)電子器件因為電流流動而必然伴隨著焦耳熱的產(chǎn)生，散熱問題成為芯片縮小和集成度提升的最大瓶頸之一。而磁子不依賴電子流動，因此幾乎不會產(chǎn)生熱量，同時新近發(fā)明的具有垂直和橫向尺度均為納米量級的新型磁子閥和磁子結(jié)及磁子晶體管可以構(gòu)成磁子存儲、邏輯運算及傳感器的基本單元，這意味著未來的計算設(shè)備可以做得尺度更小、密度更高、頻率更高、速度更快、熱能耗最低、綜合性能也更加可靠，甚至可以減少散熱裝置的體積，讓輕薄型移動設(shè)備變得更加適合室溫與“清涼”。

例如：科學(xué)家們正在嘗試?yán)么抛娱_發(fā)一類全新的信息處理架構(gòu)—磁子計算（Magnonic Computing）。這種計算方式不再依賴晶體管切換的“0”與“1”，而是通過不同頻率、相位和振幅的磁子進行信息編碼與操作，就像用不同節(jié)奏的鼓點來演奏一段程序。初步實驗已經(jīng)展示了自旋波邏輯門、干涉器和波導(dǎo)的原型設(shè)備，預(yù)示著磁子計算可能在人工智能、邊緣計算、乃至未來量子計算領(lǐng)域大放異彩[22]。

也許在不遠(yuǎn)的未來，我們的電腦將不再依靠電子“奔跑”來執(zhí)行運算，而是像一片海洋，悄無聲息地掀起一陣陣“微觀浪潮”，用“波浪”的語言講述信息世界的故事。

未來暢想：自旋電子學(xué)的無限可能

自旋技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此，它還為未來科技打開了一扇新的大門，像是一枚微觀鑰匙，悄然解鎖著明日世界的種種可能：

超低功耗設(shè)備：設(shè)想一下，未來的手機也許不再需要頻繁充電，僅憑一次充電就能使用好幾天，甚至幾周。這并非天方夜譚，而是自旋電子學(xué)為我們描繪的真實藍(lán)圖。通過利用電子的自旋狀態(tài)傳遞和處理信息，器件無需頻繁地讓電子奔跑，從而極大地降低能耗。這意味著未來的智能設(shè)備將更環(huán)保、更持久，也更適合部署在遙遠(yuǎn)、偏僻、不便維護的場所，比如深海傳感器、太空探測器，甚至是皮膚貼合式柔性生物電子設(shè)備。

醫(yī)療革新：我們的身體其實是一個“磁場交響樂團”——心跳、大腦活動、神經(jīng)信號都會產(chǎn)生微弱而復(fù)雜的磁場。自旋技術(shù)為醫(yī)學(xué)帶來了前所未有的探測手段?；谧孕拇艂鞲衅鞑粌H靈敏度極高，甚至可以在無需接觸的情況下“聽到”這些微小的磁場波動。例如，用于腦磁圖（MEG）的超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）已經(jīng)可以繪制大腦活動的空間圖譜，而未來更便攜的自旋傳感器將可能用于日常健康監(jiān)測、癲癇預(yù)警，甚至實現(xiàn)對神經(jīng)退行性疾病的早期篩查。

量子傳感：借助自旋的量子特性——如疊加態(tài)與糾纏態(tài)——科學(xué)家正開發(fā)一種超越經(jīng)典極限的傳感技術(shù)。量子自旋傳感器不僅可以測量極其微弱的磁場、電場或溫度變化，其精度甚至接近理論極限。未來，它們可能成為地質(zhì)勘探的“透視眼”，探測地殼深處的礦藏與構(gòu)造；也可能搭載在航天飛行器上，為深空探測與自主導(dǎo)航提供精密支持。量子時代的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，或許正悄然從實驗室中誕生。

新型計算架構(gòu)：當(dāng)傳統(tǒng)計算遇到瓶頸，科學(xué)家們開始從大腦中尋找靈感。我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是通過“開關(guān)”工作，而是通過突觸強度和信號模式來處理信息。而自旋器件，恰恰可以模擬這種行為：自旋態(tài)的非易失性、可調(diào)性與相互作用性為構(gòu)建類腦計算提供了理想材料基礎(chǔ)。結(jié)合“自旋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”“自旋突觸”“自旋整流器”等新概念，研究者希望打造出一種全新的計算架構(gòu)——不僅更接近人腦的思維方式，還能實現(xiàn)更快、更節(jié)能的人工智能。也許未來的機器人，不再只是執(zhí)行指令的“機械臂”，而是真正具有學(xué)習(xí)與理解能力的“思考者”。

圖6：自旋與外場的相互作用（圖片來源：九州大學(xué) 湯淺研究室）

挑戰(zhàn)與希望：科學(xué)探索的新邊界

圖7：自旋電子學(xué)器件為突破微電子學(xué)極限帶來可能性（圖片來源：Yakout, S.M. Spintronics: Future Technology for New Data Storage and Communication Devices. J Supercond Nov Magn 33, 2557–2580 （2020）. ）

盡管自旋電子學(xué)擁有無限潛力，但它的發(fā)展道路并非一帆風(fēng)順。目前，科學(xué)家們正在攻克以下難題：

?室溫穩(wěn)定性：如何讓電子自旋在室溫環(huán)境中保持穩(wěn)定是關(guān)鍵問題。

?高效操控性：如何更精準(zhǔn)地控制自旋的”舞步”，以實現(xiàn)復(fù)雜的信息處理。

?自旋協(xié)調(diào)性：讓更多電子同步”跳舞”需要全新的技術(shù)突破。

每一項挑戰(zhàn)的解決，都會讓自旋電子學(xué)更進一步，也會帶來顛覆性的技術(shù)革新。

寫在最后：微觀舞者，撬動未來

每當(dāng)我在實驗室里觀察這些微觀世界的小舞者，總是由衷感嘆：大自然的奇妙遠(yuǎn)超我們的想象！誰能想到，微小的電子竟然能用“舞蹈”帶來如此巨大的能量和改變？

自旋電子學(xué)正以獨特的方式重塑信息世界的基本邏輯，從數(shù)據(jù)非易失性存儲到自旋量子信息傳感，從類腦計算到綠色低碳芯片，它正在打開一扇通向未來的科技大門。未來，自旋電子學(xué)或?qū)⒊蔀橥苿酉乱淮涡畔⒏锩酥凉I(yè)變革的關(guān)鍵力量。

在這條通往未來的探索之路上，中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)室M02課題組始終扮演著先行者的角色。課題組自2002年成立以來，圍繞“自旋電子學(xué)材料、物理和器件”的核心研究方向，長期致力于自旋相關(guān)量子效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與器件原理的探索，已累計發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文400余篇，獲中國發(fā)明專利和美國及日本等國際專利授權(quán)100余項，發(fā)現(xiàn)多種新型自旋量子效應(yīng)，研制出10余種先進的自旋電子原型器件，涵蓋新型磁子閥、磁子結(jié)、磁子晶體管、第二代和第三代磁隨機存儲器MRAM、非易失多功能可編程自旋邏輯、自旋共振隧穿二極管、自旋發(fā)光二極管、自旋納米振蕩器/微波探測器、概率可調(diào)自旋隨機數(shù)發(fā)生器和受限玻爾茲曼機、高靈敏度低噪聲TMR磁敏傳感器等多個領(lǐng)域，取得了一系列具有國際先進水平的創(chuàng)新性重要成果。課題組由韓秀峰研究員擔(dān)任學(xué)術(shù)帶頭人。韓秀峰研究員畢業(yè)于吉林大學(xué)，曾在日本東北大學(xué)、美國新奧爾良大學(xué)、愛爾蘭圣三一學(xué)院等國際知名研究機構(gòu)從事自旋電子學(xué)研究，現(xiàn)任國際期刊 JMMM 副主編、SPIN和Sensor等雜志編委，并主編和參與出版了《自旋電子學(xué)導(dǎo)論》等多部專著[24]。作為國家杰出青年基金和國家級“百千萬人才工程”入選者，他帶領(lǐng)團隊不斷推進自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)理論、材料開發(fā)與器件創(chuàng)新工作，于2006年率先研制出新型納米環(huán)STT-MRAM、及后續(xù)納米環(huán)自旋納米振蕩器/微波探測器、納米環(huán)自旋隨機數(shù)發(fā)生器、自旋共振隧穿二極管等示范器件，并因在自旋電子學(xué)、磁子學(xué)和磁學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)榮獲2013年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎和2018年亞洲磁學(xué)聯(lián)盟獎（AUMS Award）、2024年入選歐洲科學(xué)院外籍院士。

站在新一輪科技革命的起點，我們比任何時候都更接近這個量子舞蹈主導(dǎo)的信息時代。讓我們繼續(xù)追隨這些微觀舞者的腳步，在磁場與自旋共鳴的節(jié)奏中，探索更高效、更智能、更綠色的未來。相信不久的將來，自旋電子學(xué)和磁子學(xué)必將在信息科學(xué)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、深空探測和醫(yī)療診斷等諸多前沿領(lǐng)域大放異彩，成為撬動未來信息科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵支點！

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編輯：Decoherence

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