撰文 | 張天蓉
本文為 張天蓉《矽火燎原》半導體的人和事 系列科普文章之一，經作者授權轉載，如需二次轉載請聯繫作者獲取授權。
巨磁阻效應（GMR）的發現及應用讓電子工程師們認識了自旋，使他們恍然大悟：原來自旋是如此的有用啊！事實上，儘管電子學的發展和應用已有一百多年的歷史，但電路和電子器件中所利用和研究的基本上只是電流，也就是電荷的流動，與自旋完全無關。幾十年來，電子學固然功勞巨大，但人類的追求永遠沒有止境，手機的體積小了還想再小，計算速度快了還要更快。摩爾定律登場時，是一個令人歡欣鼓舞的天才預言，四十多年後卻似乎成了某個暗藏魔鬼對電子學的詛咒：「別高興了！你終於到了山窮水盡的地步，無路可走了吧！」電子工程師們當然不會甘心受此奚落，現在，GMR的成功終於使他們看到了一點希望。要知道，上帝賦予了電子很多重要的內稟特性：質量、電荷、自旋等。質量是所有物質都具有的，比較平淡無奇，而電荷和自旋則是更特別和古怪的。前100年我們充分利用了『電荷』這個特性，現在呢，應該是啟用『自旋』的時候了。因此，研究電子技術的科學家和工程師們又重新興奮起來，他們希望能利用電子這個神秘的性質，克服瓶頸、走出困境，迎來「柳暗花明又一村」。於是，這便有了近年來對自旋電子學（spintronics）大量的理論開創及實驗研究。這個新術語的構造本身，就象徵著自旋和電子學的結合：spin加electronics= spintronics。
圖17.1：自旋的性質
人們經常將電子自旋類比於地球自轉。地球自轉時產生自轉角動量，自旋也有角動量，並且，因為電子攜帶負電荷，電荷轉動會形成電流，電子自轉的效應便相當於一個小電流圈，小電流圈的效果又相當於一個具有南極北極的小磁鐵。這就正如我們在圖17.1a中所畫的：電子具有兩個自旋態，自旋上和自旋下。在一定程度上，可以將電子的兩個自旋態等效於兩種極性相反的磁鐵，它們的磁力線如圖中所示。
然而，這種經典類比只在一定程度上可用，因為除此之外，電子自旋還有好些不符合經典規律的量子特徵。
比如說，經典物理中的角動量是三維空間的一個矢量。我們可以在不同的方向觀察這個矢量而得到不同的投影值。如圖17.1b左圖中朝上的紅色經典矢量，當我們從右邊觀察它時，它的大小是1；從下面觀察時，投影值為0；而從某一個角度a來觀察的話，則得到從0到1之間隨角度連續變化的cos（a）的數值。
電子的自旋就不一樣了。自旋角動量是量子化的，無論你從哪個角度來觀察自旋，你都可能得到、也只能得到兩個數值中的一個：1/2，或-1/2，也就是所謂的『上』，或『下』。
我們將自旋的『上』，或『下』兩種狀態叫做自旋的本徵態。而大多數時候，電子是處於兩種狀態並存的疊加態中。
電子自旋角動量可看作是二維複數空間的矢量。或者，它的運算規律可以被歸類為『旋量』。旋量在某種意義上可以看成是『矢量的平方根』。不過，這句話聽起來照樣不好理解，『矢量』哪來的平方根呢？在下文中筆者試圖粗略地解釋一下。
比如，一個二維空間的矢量可以與一個複數相對應，那麼，我們或許可以從『複數的平方根』來理解這個『矢量的平方根』。一個複數可以用它的絕對值大小（模）及幅角來表示，如果要求這個複數的平方根，可將其模值求平方根、幅角減半而得到。因此，一個複數的平方根的幅角是原來複數幅角的一半。所以，當一個複數（1，0）在複平面上繞著原點轉一圈，即360度之後回到它原來的數值時，它的平方根卻只轉了半圈（180度），停留在與原來矢量方向相反的位置上，只有當原複數繞著原點轉兩圈之後，其平方根複數才轉回到原來的位置。
電子的自旋也具有類似的性質。當自旋在空間中轉一圈之後，不是回到原來的狀態，而是『上』變『下』，『下』變『上』，就像圖17.1c中的小人在莫比烏斯帶上移動一圈之後變成了頭朝下的狀態一樣。從圖c中也可以看出，如果那個頭朝下的小人繼續它的莫比烏斯旅行，再走一圈之後，就會變成頭朝上而回到原來的狀態了。由此可見，電子自旋的這個性質正好與上面所描述的『矢量平方根』性質相類似。
現在，我們對電子的自旋有了一些基本的認識，那麼，如何利用電子自旋這個額外的自由度來製造電子器件呢？
先來說說在電子技術中引進自旋的優越性。在哪些方面有可能利用它？這個自由度又可能為我們提供哪些好處？
研究電腦最誘人的目標之一就是模擬人腦。人類大腦最重要的功能是記憶和思維，對應於計算機的最重要部分：數據存儲和邏輯運算。數據存儲又分類為『揮發性（Volatile）』的存儲器和『非揮發性』 的存儲器。所謂揮發性，是指當電源切斷後，保存的數據也隨之『揮發』而消失了，如DRAM、SRAM等；非揮發性的則意味著斷電後數據仍能繼續保存的儲存方式，如FLASH、硬碟等。硬碟使用的是與自旋有關的磁性技術，傳統的邏輯運算中則完全不用自旋。換言之，我們也可以如此來概括傳統的電子技術：電子的兩個內稟特性中，自旋與磁性相關，電荷與電流相關。目前，磁性一般被用於長期記憶，電流則被用於邏輯運算。
因此，自旋電子學將來的發展方向有如下幾個：
1.研究更好的磁性存儲技術（磁電子學）；
2.將自旋應用到傳統的邏輯電路（自旋半導體器件）；
3.利用自旋的介入，將邏輯電路及數據存儲結合在一起（1和2結合）。
4.用於量子計算和量子通信器件（完全不同的計算技術）。
除了已經非常成功的GMR|TMR硬碟磁頭讀取技術之外，目前已經在通訊產品上有一定應用的磁性隨機存儲器（MRAM，magnetic random access memory），是剛才所列舉的第一個發展方向的實例。MRAM的研發就是利用材料的隧穿磁阻效應，使其既擁有SRAM的高速讀寫能力，又有DRAM的高集成度，並且，它還具有幾乎可以無限次重複寫入的優點。
上面列舉的第三個發展方向的重要性顯而易見。計算機技術發展到今天，當然已經令人瞠目。但是比較起人類的大腦來說，似乎仍然是美中不足。它們屬於完全不同的運作方式。不說別的，只是就我們剛才談及的儲存和邏輯這點，就有顯然的不同之處。計算機的長期儲存部分（硬碟）和邏輯部分是明顯分開的，記憶功能集中在硬碟上，邏輯功能集中在CPU上，互相之間有一定距離，傳遞信息的速度很慢。而人類的大腦卻是既管記憶，又管邏輯思維，信息存儲和計算處理兩部分功能結合緊密，並沒有明顯的界限。如果可以把擅長記憶的自旋和擅長運算的電流兩種功能緊密揉合在一起，不要分離太遠，最好是在一個晶片上，那樣製造的計算機就應該更快，更接近人腦的運作方式了。
傳統計算機這種『計算』和『記憶』分離的結構是根源於馮·諾依曼的圖靈機模型。
這種模型使用的是將數據一個一個按地址先後對號入座，繼而被計算和處理的串行方式。這種方式簡化了電路，使得相應的程序語言也結構簡單，容易被人接受和理解。但是，一個潛在的缺點，即是限制了電腦的計算處理速度，因而被稱之為「馮·諾依曼瓶頸」【1】。
比較起電子的電荷而言，電子自旋的響應速度更快，能耗更低。因此，將電荷流和自旋流結合起來的自旋電子學，便有可能幫助我們克服「馮·諾依曼瓶頸」，為電子工業帶來一場新的革命。
參考資料：
【1】「Can Programming be Liberated from the vonNeumann Style?」，John Backus，1977ACM Turing Award Lecture. Communications of the ACM，August1978，Volume 21，Number 8.
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