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鬼才狗仔|解析让电脑更快的新方法！( 二 )


鬼才狗仔|解析让电脑更快的新方法！
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这一切说明 ， 磁性材料的电阻大小跟流过的电子的自旋密切相关 。 这一现象叫“巨磁阻效应” 。 2007年 ， 此项发现获得诺贝尔物理学奖 。
根据巨磁阻效应 ， 人们设计了一种新型的自旋开关 。 如下图所示：
让一束普通的电流穿过一块“三明治”结构的材料 。 材料两侧是磁性薄膜层 ， 中间是夹层(间隙或者非磁性材料) 。 由于在普通电流中 ， 电子自旋朝向是随机的 ， 既有朝上 ， 也有朝下的 ， 当电流穿过第一层磁性薄膜时 ， 那些自旋朝向与薄膜磁化方向不一致的电子(此处是自旋朝下的电子)都被挡住了 ， 所以能穿透第一磁层的是那些自旋朝上的电子 。
这些电子继续向前运动 ， 穿过夹层来到第二磁层前 。 如果第二磁层的磁化方向朝上 ， 那么电子悉数通过 ， 整个电路处于“开”的状态(上图) 。 如果对第二磁层施加一个微小的外界磁场 ， 让其磁化方向转个个儿 ， 变成朝下 ， 那么绝大部分电子将被阻挡住 。 此时电路改为“闭”了(下图) 。 这相当于一个开关 。
用这样的自旋开关制成的硬盘读出头 ， 就能感应硬盘磁位上的微弱磁场 ， 磁位的磁场扮演着使第二磁层翻转还是不翻转的外界磁场角色 ， 并将其转化为脉冲电流 。 由于自旋开关的出现 ， 允许硬盘磁位做得更小 。 磁位可以做得更小 ， 这意味着在硬盘的单位面积上可以塞下更多的“0”和“1” ， 所以硬盘容量自此从MB急剧提升到了GB量级 。

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给芯片“瘦身” 但为何就此止步呢?如果自旋对于读取硬盘数据是个好东西 ， 那么它对于电脑的核心部件——微处理器(即芯片) ， 或许也会有所帮助 。
今天的微处理器是差不多由10亿个晶体管组成的 ， 这些晶体管利用电流来实现开和关 。 但事实上 ， 我们也可以通过电子自旋 ， 而不是电流 ， 来操控晶体管 。 不像电流 ， 维持自旋不需要消耗能量 ， 仅当改变时才消耗能量 。 这意味着 ， 这种工作方式耗能更省 ， 制造的热量也更少 。 由于这方面涉及的技术过于复杂 ， 具体详情这里就不介绍了 。

国特拉华大学的一位科学家研制出全球上首个自旋晶体管 。 同年 ， 美国罗切斯特大学的科学家又发明了首个用自旋晶体管组成的一个逻辑电路 。 这个电路除了是利用电子自旋来操控的 ， 还有一个不同凡响之处：同一个电路可以执行不同的逻辑运算 。 这是一个了不起的优点 。 因为过去一个传统的逻辑电路 ， 只能完成一种特定的逻辑运算 ， 所以为了完成不同的逻辑运算 ， 就需要设计不同的电路 。 如果同一电路可以完成多种运算 ， 那意味着芯片上的电路数量可以大大减少 ， 芯片就可以进一步“瘦身”了 。
总之 ， 一场自旋的革命风暴正在席卷整个微电子学领域 ， 大概只有半个多世纪前的晶体管革命可与之媲美 。 未来 ， 人们甚至希望用由自旋控制的电路来模拟人类的大脑 。


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