顾长志研究员
在信息化社会不断发展的今天，人们对信息的渴求已经越发强烈，形形色色的信息工具充斥在社会的每一个角落。每天，巨大的信息流量在给人们带来便利的同时，也给科研人员带来了一定的压力。因为，目前的技术面临高效处理大量信息需求的巨大挑战。随着时代的进步，发展高效处理信息的技术成为科研人员所努力的方向。中国科学院物理研究所微加工实验室顾长志研究员领导的小组与表面物理国家重点实验室夏钶研究员领导的课题组合作，通过铁磁金属纳米点接触结构的设计和纳米加工，在研究电流驱动畴壁与纳米点接触电阻关系的基础上，设计并制作出基于畴壁运动的全金属纳米结构逻辑电路。这一技术一旦得到应用，计算机处理信息的能力将会大大增强。那么，到底什么是全金属纳米结构逻辑电路呢？本刊记者走访了中国科学院物理研究所微加工实验室主任顾长志研究员，了解了这一创新成果。
据顾研究员介绍，想要弄清楚此项技术，先要了解目前使用的硅器件和电路。硅是一种半导体材料，硅器件与电路利用电子的带电性来实现对信息的处理。电子有两个表示它性质的量，一个是电荷，一个是自旋。硅逻辑电路可以通过控制电荷来实现对逻辑信号的处理，如果再利用上自旋的特性，增加一个可控的自由度，则整个计算机处理信息的能力将会得到很大的提高，那么整个目前的信息产业将会发生革命性的变化。这正是目前自旋电子学蓬勃发展的动力。
为了促进信息技术的发展，研制与自旋相关的磁逻辑电路，就需要控制电子的自旋，来获得更高的信息处理能力。而要控制自旋，利用磁性材料纳米结构是目前的选择之一，即用磁性材料纳米结构钉扎磁畴，在外场作用下驱动磁畴的运动，从而改变纳米结构中畴壁的状态。但这又涉及到一个怎么控制和检测的问题，在其他一些国家，科研人员也做过一些实验，他们设计了一种磁逻辑电路，通过外加一个磁场，对逻辑电路进行驱动；在检测方面，也多通过光将信号变化提取出来。这种驱动与检测方法很麻烦，距离应用尚有很大的距离，因为我们在日常工作和生活中不可能随身携带一个很大的外加驱动磁场。检测也是一样，不能随身带一个光源去打到电路上面检测信号的变化，而且这些方法与目前的微电子技术也无法实现兼容。当然，也有一些研究人员是通过磁场驱动，利用电来检测信号的变化，或者是通过电来驱动，用光来检测，但这些都没有做到用电信号来驱动和用电来检测的理想状态。顾长志研究员等人的工作与其他国家不同之处就是在对自旋的控制方面。他们采用电流来驱动，通过电来检测，这样，就能将对电荷的控制和对自旋的控制有机的结合起来，实现了与硅半导体器件的兼容。
那么这种电路的逻辑是怎么实现的呢？实际上这个逻辑电路就像一个中间收缩的纳米管道一样，是一个点接触的纳米结构，与自旋相关的磁畴壁被钉扎在点接触的位置，在自旋极化电流的作用下，它与天然存在的磁畴壁间的角动量交换打开了磁与电之间联系的通道。不需要外加磁场，仅用电流就可操纵材料的磁化状态，克服了磁场难以屏蔽的困难，为自旋逻辑器件高度集成和信号高可靠性处理提供了可能。
该电路工作的基本原理是：铁磁金属纳米点接触结构能够在点接触位置钉扎住一个磁畴壁，并在自旋极化电流驱动下运动，使点接触电阻在高阻与低阻态间来回转换，配合一个具有固定电阻的金属纳米线作为参考电阻与之相比较，将点接触结构和金属纳米线串联之后联入电源两端，点接触和纳米线之间的连接点的电势会因为点接触电阻的改变而发生变化。电势的高低可以定义为逻辑信号，代表二进制的“0”和“1”。
科研人员正是利用这一特性来构造电路的。这样做的结果就会和半导体逻辑电路的工作方式一致。不一样的地方是：半导体电路是通过对电荷的控制来实现逻辑功能，而这种的磁逻辑电路则是通过控制自旋来实现逻辑功能的，实现逻辑功能的方式不一样，控制的对象也不一样，是一种新型的逻辑电路。
据了解，这种逻辑电路在室温条件下直接用电信号驱动，并且使用电信号探测，具有集成度高、成本低、兼容性好和低功耗的特点，能够在磁性材料的居里温度以下正常工作（600℃），并与现今的半导体器件CMOS平面工艺完全兼容。由于电路以全金属结构实现，能够获得比现今的半导体电路更高的载流子密度和更细的线宽，为新型高密度纳米电路的研制奠定了基础，对我国信息科学与技术的发展必将起到积极的促进作用。
知识点
什么是自旋？
在量子力学中，自旋是与粒子相关的内禀角动量。自旋角动量是系统的一个可观测量，它在空间中的三个分量和轨道角动量一样满足相同的对易关系。每个粒子都具有特有的自旋。粒子自旋角动量遵从角动量的普遍规律。自旋为半奇数的粒子称为费米子，服从费米·狄拉克统计；自旋为0或整数的粒子称为玻色子，服从玻色·爱因斯坦统计。复合粒子的自旋是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的矢量和，即按量子力学中角动量相加法则求和。已发现的粒子中，自旋为整数的，最大自旋为4；自旋为半奇数的，最大自旋为3/2。电子的自旋是1/2，光子的自旋是1。
斯特恩·盖拉赫实验是自旋概念的实验基础。