自旋电子学可能不是日常讨论中出现的那种词，但多年来它一直在彻底改变计算机技术。它是物理学的一个分支，涉及操纵电子流的旋转，这种电子流在20世纪90年代末以磁性计算机硬盘驱动器的形式首次传递给消费者，其存储容量是其前辈的数百倍。
这些和其他电子设备已被改进，使计算机再次变得更强大，更不用说更酷，更节能 - 从MP3播放器到今天的智能手机。英特尔和谷歌去年开始推出量子处理器，几个月前三星和Everspin推出了MRAM(磁性随机存取存储器)芯片。预计这项新技术将大大提高计算性能 - 例如，一项估计，电力需求的潜在降低可能超过99%。
即便如此，所有这些进步都在一个主要限制下进行：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以“夹层”结构堆叠，其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2-D。
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的计算机硬盘，Deskstar 16GP Titan，多年来一直在说磁性计算面临的最大挑战之一就是转向更灵活，更强大的3-D版本。
这将看到在三维磁性层堆叠的任何点上传输，存储和处理的信息。最近的开拓进展也开始把这一转变更接近，但我们仍面临巨大挑战，以达到相同程度的控制，因为我们有两个维度。
在由格拉斯哥大学和剑桥大学领导的新论文中，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，为实现这一目标迈出了重要的一步。
传统电子学基于电子具有电荷的事实。在基本计算机中，芯片和其他单元通过发送和接收微小电脉冲来传输信息。它们为脉冲注册“一”，对无脉冲注册“零”，并且通过对这些重复进行计数，它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，扁平磁盘的非常小的区域通过其两个可能的磁性方向记录零和一个。磁力驱动器具有很大的好处，即使电源关闭时数据仍然存在，尽管信息的记录和检索速度比使用我们在计算机电路中找到的晶体管要慢得多。
自旋电子学是不同的：它利用电子的电荷和内在磁性 - 也称为自旋。自旋和电荷之间的差异有时被比作地球围绕太阳运行的方式，但同时也在其轴上旋转。但是，虽然电子总是带负电，但它们可以“向上”或“向下”旋转。
它被发现在80年代后期，如果电流是通过由夹在两个磁性层之间的非磁性片形成的设备进行的，该器件的电阻的电子流将显着取决于磁体的内方位改变两张磁片。
这种效应在硬盘驱动器中很容易被利用，这些自旋电子系统作为非常敏感的传感器，可以在同一区域内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。这被称为巨磁阻，后来为Albert Fert和Peter Grunberg 取得了诺贝尔物理学奖，这两位科学家同时发现了它。
自从自旋电子学诞生以来，已经取得了许多重要的进展，包括最近在一个名为手性自旋电子学的领域中令人兴奋的一些。虽然我们通常认为两个磁铁有一个“北”和“南”，它们沿180º线朝向或远离彼此旋转 - 例如在该视频的末端观看指南针- 在特定条件下，微小的磁铁在原子水平也呈现手性自旋相互作用。这意味着相邻磁体倾向于以90°的角度定向。
这些相互作用的存在是创建和操纵称为磁性skyrmions的伪粒子的关键因素，其具有拓扑特性，使其能够更有效地执行计算应用，具有进一步改善数据存储的巨大潜力。
然而，到目前为止，仅在二维自旋电子学中观察和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在位于由超薄非磁性金属层隔开的两个相邻磁性层的磁体之间产生。
为此，我们使用一种称为溅射的技术创建了一个总共八层的器件来沉积纳米级薄膜。我们必须仔细调整层的界面以平衡其他磁相互作用，我们使用激光研究了室温下磁场下系统的行为。我们的汉堡大学合作者通过互补磁模拟确认了设备的行为方式。
这一发现开辟了新的令人兴奋的途径，以进一步利用3-D自旋电子效应，手性自旋相互作用发挥关键作用，创建更紧凑和有效的方式来存储和移动整个3-D空间的磁数据。未来的工作将集中在寻找增加这种相互作用强度的方法，并扩大影响存在的设备范围。我们希望我们的工作能够引起自旋电子界的极大兴趣，并促使行业继续致力于基于这些全新概念的磁性计算设备。
自旋电子技术在计算市场上的第一次影响非常快 - 从发现巨磁阻到1997年推出IBM的Deskstar 16GP Titan仅用了8年时间.3-D的飞跃仍然需要克服多重障碍制造必要的设备以利用非常规计算架构中的磁交互。我们最近的发现使我们更接近实现这个非常具有挑战性但令人兴奋的目标。