自旋电子学可能不是出现在日常讨论中的词，但多年来它已经彻底改变了计算机技术。它是物理学的一个分支，涉及操纵电子流的旋转，在90年代末首次以磁性计算机硬盘驱动器的形式传输给消费者，其存储容量是其前辈的几百倍。
这些和其他电子设备已经得到了改进，使计算机再次变得更强大，更不用说更酷和更节能了——从MP3播放器到今天的智能手机。英特尔和谷歌去年推出了量子处理器，三星和Everspin几个月前推出了MRAM芯片。预计这项新技术将大大提高计算性能——例如，据估计，电力需求的潜在减少可能超过99%。
即便如此，所有这些进步都是在一个主要限制下实现的：旋转操作仅限于单个超薄磁性材料层。这些层中的几十层通常堆叠成“三明治”结构，通过复杂的界面和互连相互作用，但它们的功能本质上基本上是2D。
像斯图尔特帕金这样的行业领导者创造了IBM最初的自旋电子驱动计算机硬盘——桌面星16GP泰坦。多年来，他们一直在说，磁性计算的最大挑战之一是转向更灵活、更强大的3D版本。
这将看到在3D磁性层堆栈中的任何点传输、存储和处理的信息。最近的开创性进展已经开始使这种变化更加接近，但是我们仍然面临巨大的挑战来实现同样程度的控制，因为我们有两个维度。
在格拉斯哥大学和剑桥大学牵头的新论文中，我们与汉堡大学、埃因霍温技术大学和阿尔托大学理学院的研究人员合作，朝着这个目标迈出了重要的一步。
旋转和充电。
传统电子学基于电子带有电荷的事实。在基本计算机中，芯片和其他单元通过发送和接收微小的电脉冲来传输信息。它们为脉冲注册“1”，为无脉冲注册“0”，通过计算这些重复，它们成为指令语言的基础。
传统的磁性硬盘驱动器也依赖于与电荷相关的特性，但它们的工作原理不同。扁平圆盘的一个非常小的区域通过它的两个可能的磁方向记录0和1。磁驱动有很大的优势，即使电源关闭，数据仍然存在，尽管记录和检索信息的速度比使用我们在计算机电路中发现的晶体管要慢得多。
自旋电子学是不同的：它利用电子的电荷和固有磁性——也称为自旋。自旋和电荷之间的差异有时被比作地球绕太阳运动的方式，但它也绕着它的轴旋转。然而，虽然电子总是带负电荷，但它们可以“向上”或“向下”旋转。
人们发现，在20世纪80年代后期，如果电流通过由夹在两个磁性层之间的非磁性片形成的器件传导，器件电阻的电子流将显著依赖于磁体的内部取向并改变两个磁性片。
这种效果可以很容易地在硬盘驱动器中使用。作为非常敏感的传感器，这些自旋电子系统可以在同一区域读取比以前的硬盘驱动器更多的零和磁信息，从而改变存储容量。它被称为巨磁电阻，后来因为艾尔伯费尔和彼得格伦伯格同时发现了它而获得了诺贝尔物理学奖。
手性自旋电子学。
自从自旋电子学诞生以来，已经取得了许多重要的进展，包括最近在手性自旋电子学领域令人兴奋的进展。虽然我们通常认为这两个磁体有“北”和“南”，但它们沿着180线彼此相向或远离旋转——例如，观察视频末尾的指南针——在某些条件下，微小的磁体也表现出原子级的手性自旋相互作用。这意味着相邻的磁体倾向于以90的角度定向。
这些相互作用的存在是创建和操纵称为磁skyrmions的伪粒子的关键因素，这些伪粒子具有拓扑特性，因此它们可以更有效地执行计算应用，并具有进一步改善数据存储的巨大潜力。
然而，到目前为止，在2D自旋电子学中只观察到并利用了手性自旋相互作用。在我们的新论文中，我们首次表明这种相互作用也可以发生在位于由超薄非磁性金属层隔开的两个相邻磁性层中的磁体之间。
出于这个原因，我们使用了一种叫做溅射的技术来制造一个八层设备来沉积纳米尺度的薄膜。我们必须仔细调整各层的界面，以平衡其他磁相互作用。我们用激光研究了室温磁场下系统的行为。我们在汉堡大学的合作伙伴通过互补磁模拟证实了设备的行为。
这一发现为进一步发展3D自旋电子效应开辟了一条新的令人兴奋的途径，手性自旋相互作用起到了关键作用，创造了一种在整个3D空间存储和移动磁数据的更紧凑有效的方式。未来的工作将集中在寻找方法来增加这种互动的强度，并扩大具有影响力的设备的范围。我们希望我们的工作将引起人们对自旋电子学的极大兴趣，并鼓励业界继续致力于基于这些新概念的磁性计算设备。
自旋电子学第一次对计算市场产生了非常快的影响——从发现巨磁电阻到1997年推出IBM的Deskstar 16GP Titan只用了8年时间。3D的飞跃仍然需要克服多重障碍，需要精确制造非常规计算架构中利用磁交互的必要设备。我们最近的发现使我们更接近实现这个极具挑战性但令人兴奋的目标。会话