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鬼才狗仔|解析让电脑更快的新方法！

【鬼才狗仔|解析让电脑更快的新方法！】
1943年12月的一个雾天 ， 全球上首台可编程的数字电子计算机在伦敦西郊诞生了 。 第二次世界大战期间 ， 它为盟军快速破译纳粹的密码电报 ， 立下了汗马功劳 。 在这台名为“巨人”的计算机上 ， 指令以打孔的形式“写”在纸带上 ， 它每小时要“吃”进去数英里的纸带 。
鬼才狗仔|解析让电脑更快的新方法！
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自那以后 ， 计算机已经走过了70多个的春秋 。 尽管今天普通的手机只有“巨人”体积的10万分之一 ， 速度快了近100万倍 ， 但其工作原理一直没变——通过操控电荷(重要是电子)来实现运算 。 唯一的分别是 ， 元件越做越小了 。
但是 ， 当元件再小下去 ， 就遇到了瓶颈 。 事实上 ， 当晶体管做到几个纳米量级时 ， 我们已经控制不了电子 。 雪上加霜的是 ， 电荷的移动必然要产生热量 ， 而在芯片那么一个密集着数亿晶体管的“弹丸之地”上 ， 散热成了一个大难题 。 这些问题阻碍了电脑的进一步发展 。
事情到了这一步 ， 就需要我们反思了：难道电脑的一切操作非得依赖操控电荷来实现吗?有没有其他替代的办法?
这样 ， 电子的另一种特性——与磁性有关的自旋 ， 就被许多人寄予了厚望 。 如果电脑的工作原理 ， 由过去的操控电荷改换到操控自旋 ， 那将带来一场很大的革命 。
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粒子的基本属性——自旋
自旋是包括电子在内的基本粒子拥有的一种量子属性 。 电子的自旋经常被描述为一个带电小球绕着自己的轴在转 。 尽管这幅图像很直观 ， 但带有巨大的误导性 。 宏观的一个球可以在任意方向上以任意速度自转 ， 但电子的自旋被严格限定只有两种朝向 ， 通常称作“上”和“下”;而且 ， 其自旋角动量是一个固定值 。
事实上 ， 如果电子真是我们想像中的一个自转小球的话 ， 那根据计算 ， 它表面的转动速度比光速还快好几倍呢 ， 而这违反了爱因斯坦的相对论 。
关于自旋 ， 我们知道它与磁密切相关 。 在一块永磁体中 ， 无数电子的自旋被调整到朝同一个方向 ， 于是就产生了磁场 ， 否则它们的效果两两抵消 ， 就显不出磁性 。 如果施加一个足够强的反向磁场 ， 这些电子的自旋方向就会发生翻转 ， 使得磁体的南北极互换 。
这个性质在电脑上很久以来就已经被我们利用 。 电脑硬盘无非就是由无数微小的磁体组成的一个会转动的盘子 。 每个小磁体被称作一个“磁位” 。 如果用二进制的“1”来代表磁位N极朝上的状态 ， 那么“0”就代表N极朝下的状态 。 以二进制编码的数据就储存在一个个磁位上 。 当硬盘转动起来 ， 磁位在硬盘的读出头下一一穿过 ， 就可以读取数据 。

明的是 ， 电脑芯片上的晶体管只受脉冲电流的控制 ， 那么硬盘数据又是怎么转变成一个个脉冲电流的呢?本来是这样的：读出头电阻的大小取决于硬盘上每个磁位磁场的朝向 。 譬如说 ， 读出头当读到“1”时 ， 磁位N极朝上 ， 这时电阻大;当读到“0”时 ， 磁位S极朝上 ， 这时电阻小 。 在电压固定的情况下 ， 电阻的忽高忽低 ， 造成电流的忽低忽高 ， 于是形成一个个脉冲电流 。
基于巨磁阻效应的自旋开关 在数字计算机的古代上 ， 制造更大容量硬盘的办法很简单：在尽可能小的空间里塞下尽可能多的磁位 。 但10多年前 ， 这种办法已经走到了尽头 。 这些磁位产生的磁场已经如此微小 ， 以至于它们在读出头上引起的电阻变化几乎无法被探测到 。
1988年 ， 德法两国的科学家独立发现了一个与自旋有关的新现象：在一块由磁性材料组成的导体中 ， 当一束自旋方向与该材料磁化方向相同的电子流过时 ， 导体的电阻较小 。 而当一束自旋方向与该材料磁化方向相反的电子流过时 ， 电流急剧减小 ， 说明电子大部分被挡住了 ， 表现出来的是电阻急剧增加 。


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