作者：張然 | 中國科學院大學

培養單位：中國科學院物理研究所

審核：萬蔡華 副研究員 | 中國科學院物理研究所

你有沒有想過，在我們看不見的微觀世界里，電子們正在跳著一支神奇的舞蹈？這不是科幻小說的場景，而是實實在在的量子物理現象——電子自旋。今天，讓我們一同走進這個奇妙的領域，感受電子們如何用它們獨特的”舞姿”改寫我們的未來。

最小的陀螺？認識電子自旋

說起電子，大多數人的第一印象可能是它們帶著負電荷，在導線中飛速“奔跑”，形成電流。但你知道嗎？電子不僅會“跑步”，還會“跳舞”！這種神秘的“舞蹈”被稱為“自旋”。

自旋是什么呢？試想一個微型陀螺，永不停歇地旋轉。奇妙的是，這個陀螺不像我們熟悉的玩具那樣可以自由改變旋轉方向，而只能以兩種固定方式“旋轉”——（逆時針旋轉，定義自旋方向）向上或（順時針旋轉，定義自旋方向）向下。科學家們把這兩種狀態分別稱為“自旋向上”和“自旋向下”，就像電子的“舞蹈姿勢”。

圖1：陀螺與電子自旋示意圖（左圖來源：LingoAce；右圖來源：Wikimedia Commons）

但要注意，這個陀螺只是一個形象化的比喻。實際上，自旋是電子在量子力學中的內在屬性，它并不是真正的物理旋轉。就像電子的負電荷是與生俱來的特性一樣，自旋也是一種存在于微觀世界中的神秘“印記”。這種“舞蹈”一經發現，立刻震撼了科學界，也揭開了量子世界的另一面。從量子力學的角度看，自旋是一種內稟的角動量，是粒子固有的量子性質之一。與軌道角動量不同，自旋并非源自電子的實際自轉，而是由狄拉克方程（Dirac equation）中的對稱性引入的一種數學結構。電子自旋態可用二維希爾伯特空間中的態矢量表示，一般形式為：

其中|↑〉，和|↓〉分別表示沿 z 軸自旋向上和自旋向下的本征態， α與β為復數振幅，需滿足歸一化條件：|α|^2+|β|^2=1。自旋的三個分量由泡利矩陣（Pauli matrices）表示，其在直角坐標系中分別為：

這些矩陣滿足一組重要的反對易關系：[σ_i, σ_j]=2ε_ijk σ_k，其中ε_ijk是列維-奇維塔符號（Levi-Civita symbol），代表三維旋轉的不對稱性。電子的自旋態在測量過程中會坍縮為某個本征態，呈現出“非經典”跳變行為，這是量子計算和自旋電子學（Spintronics）的物理基礎之一。

從電荷到自旋：一場技術革命的序幕

過去的幾十年里，我們的電子設備主要依靠電子的“跑步”工作。電子在導線上來回穿梭，形成電流，點亮了燈泡，驅動了計算機，推動了現代科技的發展。從智能手機到高性能計算機，無一不受益于這種“跑步式”的電子行為。

圖2：對比傳統電路和自旋器件，形象化表現“跑步者”和“舞者”的差別（本圖片為作者自制）

但就像馬拉松運動員跑久了會疲憊不堪，電子不停奔跑也有它的局限性。隨著設備的體積越來越小，電子的“跑步”造成的問題也日益顯現：

·高能耗：電子的移動會消耗大量能量，發熱問題難以避免。

·速度瓶頸：跑步的電子總有速度極限，無法滿足未來技術對高速的需求。

·微型化挑戰：在越來越小的設備中控制電子運動變得愈加困難。

這時，科學家們提出了一個大膽的構想：如果電子不再依靠“跑動”工作，而是直接用它們的“舞姿”傳遞信息，會怎么樣？換句話說，電子不再是辛苦的“馬拉松選手”，而是優雅的“芭蕾舞者”，這種技術通過控制電子的自旋態（自旋向上或自旋向下）來傳遞信息。這一思路的提出，讓電子自旋技術從實驗室走向了應用領域，引發了一場全新的技術革命。

自旋的魔法：已經融入你的生活

不要以為電子的“舞蹈”離我們的生活還很遙遠，其實它們早已悄悄走進了我們的日常——你甚至每天都在使用它們的“舞姿”所創造的成果。比如你電腦里的硬盤，它可不僅僅是一個存儲器那么簡單。

也許你小時候聽過硬盤“咔咔”作響的聲音，那其實是磁頭在忙碌地讀取和寫入數據。而現代硬盤中的讀取頭早已不同凡響，它利用了一種被稱為“巨磁阻”（Giant Magnetoresistance, GMR）效應的量子現象——正是電子自旋狀態對電阻的影響，讓磁頭能夠高效地識別出“0”與“1”。GMR效應于1988年同期被兩位科學家發現：法國的阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國的彼得·格林貝格（Peter Grünberg）。他們分別獨立研究了多層磁/非磁金屬薄膜結構中電子傳輸的行為，首次觀察到電阻隨磁化方向變化而顯著改變的現象，這一突破為磁記錄技術開辟了全新路徑。

GMR器件的核心結構包括兩個鐵磁層（Ferromagnetic Layer）夾著一個非磁性導體層（如銅）。其中一層磁矩方向相對固定（參考層），另一層磁矩方向相對可調（自由層）。當兩層磁矩平行時，自旋極化的電子可以順利通過，自旋散射效應較弱，整體電阻較小；當兩層磁矩反平行時，電子在傳播過程中容易被反向磁矩散射，導致電阻上升。這種依賴自旋方向的電子散射機制揭示了電阻的量子調控可能性，是自旋電子學的開端。該成果于2007年獲得諾貝爾物理學，評審委員會評價其為“納米技術時代信息存儲革命的奠基石”。這一發現直接推動了硬盤密度及其容量的大幅躍升，使我們今天能夠輕松存儲海量的照片和視頻等數據信息。如果沒有電子這支“舞蹈”的參與，云計算和大數據或許仍然只是停留在紙上的概念。

而如今，電子的“舞姿”正在更深入地影響存儲技術的未來。磁性隨機存儲器（Magnetoresistive Random-Access Memory, MRAM） 就是利用電子自旋特性工作的新一代存儲器件。與傳統閃存相比，MRAM具備諸多優勢：（1）斷電記憶：即使設備斷電，數據也能以磁矩方向（即自旋向上或向下）的方式被存儲，不再依賴持續供電；（2）速度更快：其數據讀寫速度比傳統閃存快出幾個數量級；（3）低能耗：幾乎不產生熱量，更加節能環保。除了第一代 MRAM，科學家們還在不斷升級這項技術。例如，通過引入自旋轉移力矩效應（Spin Transfer Torque, STT）和自旋軌道矩效應（Spin-Orbit Torque, SOT），開發出了更加高效穩定的新型自旋存儲架構。這些器件不僅速度更快、功耗更低，還有望突破“存儲與計算分離”的瓶頸，讓未來的芯片既能高效記憶，也能靈活處理。

圖3：MRAM的基本單元MTJ；GreenWave GAP9 MRAM芯片（圖片來源：XTECH）

STT機制依賴于將自旋極化電流直接注入磁性自由層。其原理是：當自旋極化電子進入自由層時，其自旋方向與局域磁矩不一致，電子通過自旋翻轉將角動量轉移給磁矩，從而施加扭矩，實現磁化翻轉。該機制已廣泛應用于第二代 STT-MRAM 中。相比之下，SOT機制則依賴重金屬（如 Pt、Ta）中強自旋軌道耦合產生的橫向自旋流。通過在重金屬/鐵磁雙層結構中施加電流，可利用自旋霍爾效應（Spin Hall Effect）或 Rashba 效應生成垂直自旋流，作用于磁層磁矩誘導其翻轉。由于電流不需要垂直穿過磁性隧道結，SOT器件具備更高的寫入速度、更長的壽命與更低的寫入電流密度，尤其適合用于神經網絡、邏輯加速等場景。

此外，自旋的“魔法”還體現在那些我們日常不太注意卻至關重要的地方——比如你手機上的磁傳感器。你有沒有注意過，當你旋轉手機，地圖會自動調整方向？這正是得益于自旋磁阻傳感器的精準“感知”能力。這類傳感器能識別地球磁場的微小變化，是智能手機、無人駕駛汽車、可穿戴設備等的關鍵組件，被譽為現代生活的“電子指南針”。

更令人期待的是，下一代高靈敏度磁傳感器正在悄然誕生。它們不僅能感知導航用的地磁，還能監測極其微弱的人體生物磁信號，比如大腦的神經活動或心臟的電磁反應。這意味著，自旋傳感器有望成為未來無創神經醫學與腦機接口的核心技術，為醫療健康帶來顛覆性變革。

圖4：韓秀峰研究員團隊及其合作者累計發現和實驗觀測到10種新奇自旋量子效應、并研制出10余種新型自旋電子原型器件。（圖片來源：中國科學院物理研究所M02課題組）

磁子：微觀世界的”墨西哥人浪”

如果說單個電子的自旋是一支獨舞，那么許多電子的自旋相互作用時，就是一場宏大的“群舞”。這種現象被稱為自旋波，它就像微觀世界中的“墨西哥人浪”。

圖5：自旋波傳播的動態藝術效果圖，展示波浪式的自旋變化（上圖來源：SketchFab；下圖來源：Marconi Van）

一個電子的自旋變化可以通過相鄰電子傳播出去，形成波動。自旋波像光波和聲波一樣也具有波粒二象性，其傳播遵循特定的色散關系，即頻率ω與波矢k的關系函數：

其中，γ為吉羅磁比，H_eff是有效磁場， D是自旋剛度系數。該公式表明，自旋波的頻率隨傳播波矢呈平方增長，類似于聲波中的弦振動模式。在二維或一維納米結構中，自旋波的色散行為可以因磁各向異性、邊界條件、交換作用的不同而大幅改變。特別地，長波長自旋波（也稱為“磁聲波”）可用于低頻通信，而短波長高頻磁子則適合用于THz級信號處理。其可調諧的色散特性為多頻段信息處理提供了天然平臺。

自旋波的最小能量基元被稱為磁激子或磁振子，簡稱為磁子（magnon）。磁子屬于一種玻色子準粒子。這意味著它們服從玻色-愛因斯坦統計，不受泡利不相容原理限制，可以在低溫下聚集到同一狀態中，形成所謂的磁子凝聚（magnon condensation）。與電子不同，磁子不攜帶電荷，因此在傳播過程中不會引發電阻加熱效應，極大地降低了信息傳輸能耗。其統計特性使得多個磁子可以同時傳播不同頻率和相位的信息，實現天然的波分復用與并行處理功能。目前磁子學（Magnonics）成為繼自旋電子學之后的又一個新興交叉學科。磁子的魅力在于：

·傳播速度快：在傳統電子設備中，信息通過電子在電路中的移動傳遞，就像城市里的交通系統，堵車時寸步難行。而磁子則像是一陣輕盈的海浪，在磁性材料中層層傳遞，不需要電子真正移動，極大地提升了信號傳播的效率。理論研究表明，磁子的群速度可以達到每秒數千米，遠超許多半導體器件的響應速度，為高速信號處理提供了新的可能。

·能耗極低：因為磁子傳遞的是電子的“舞姿”而非“奔跑”，它不依賴電子的物理運動，從而大大減少了電阻帶來的能量損耗。在未來構建節能型電子系統中，這種特性尤為重要。在我們奔赴 “碳中和”、“綠色計算”的時代，磁子技術被認為是突破現有能源效率極限的有力候選。

·發熱少：傳統電子器件因為電流流動而必然伴隨著焦耳熱的產生，散熱問題成為芯片縮小和集成度提升的最大瓶頸之一。而磁子不依賴電子流動，因此幾乎不會產生熱量，同時新近發明的具有垂直和橫向尺度均為納米量級的新型磁子閥和磁子結及磁子晶體管可以構成磁子存儲、邏輯運算及傳感器的基本單元，這意味著未來的計算設備可以做得尺度更小、密度更高、頻率更高、速度更快、熱能耗最低、綜合性能也更加可靠，甚至可以減少散熱裝置的體積，讓輕薄型移動設備變得更加適合室溫與“清涼”。

例如：科學家們正在嘗試利用磁子開發一類全新的信息處理架構—磁子計算（Magnonic Computing）。這種計算方式不再依賴晶體管切換的“0”與“1”，而是通過不同頻率、相位和振幅的磁子進行信息編碼與操作，就像用不同節奏的鼓點來演奏一段程序。初步實驗已經展示了自旋波邏輯門、干涉器和波導的原型設備，預示著磁子計算可能在人工智能、邊緣計算、乃至未來量子計算領域大放異彩。

也許在不遠的未來，我們的電腦將不再依靠電子“奔跑”來執行運算，而是像一片海洋，悄無聲息地掀起一陣陣“微觀浪潮”，用“波浪”的語言講述信息世界的故事。

未來暢想：自旋電子學的無限可能

自旋技術的應用遠不止于此，它還為未來科技打開了一扇新的大門，像是一枚微觀鑰匙，悄然解鎖著明日世界的種種可能：

超低功耗設備：設想一下，未來的手機也許不再需要頻繁充電，僅憑一次充電就能使用好幾天，甚至幾周。這并非天方夜譚，而是自旋電子學為我們描繪的真實藍圖。通過利用電子的自旋狀態傳遞和處理信息，器件無需頻繁地讓電子奔跑，從而極大地降低能耗。這意味著未來的智能設備將更環保、更持久，也更適合部署在遙遠、偏僻、不便維護的場所，比如深海傳感器、太空探測器，甚至是皮膚貼合式柔性生物電子設備。

醫療革新：我們的身體其實是一個“磁場交響樂團”——心跳、大腦活動、神經信號都會產生微弱而復雜的磁場。自旋技術為醫學帶來了前所未有的探測手段?；谧孕拇艂鞲衅鞑粌H靈敏度極高，甚至可以在無需接觸的情況下“聽到”這些微小的磁場波動。例如，用于腦磁圖（MEG）的超導量子干涉器件（SQUID）已經可以繪制大腦活動的空間圖譜，而未來更便攜的自旋傳感器將可能用于日常健康監測、癲癇預警，甚至實現對神經退行性疾病的早期篩查。

量子傳感：借助自旋的量子特性——如疊加態與糾纏態——科學家正開發一種超越經典極限的傳感技術。量子自旋傳感器不僅可以測量極其微弱的磁場、電場或溫度變化，其精度甚至接近理論極限。未來，它們可能成為地質勘探的“透視眼”，探測地殼深處的礦藏與構造；也可能搭載在航天飛行器上，為深空探測與自主導航提供精密支持。量子時代的“千里眼”和“順風耳”，或許正悄然從實驗室中誕生。

新型計算架構：當傳統計算遇到瓶頸，科學家們開始從大腦中尋找靈感。我們的神經網絡不是通過“開關”工作，而是通過突觸強度和信號模式來處理信息。而自旋器件，恰恰可以模擬這種行為：自旋態的非易失性、可調性與相互作用性為構建類腦計算提供了理想材料基礎。結合“自旋神經網絡”“自旋突觸”“自旋整流器”等新概念，研究者希望打造出一種全新的計算架構——不僅更接近人腦的思維方式，還能實現更快、更節能的人工智能。也許未來的機器人，不再只是執行指令的“機械臂”，而是真正具有學習與理解能力的“思考者”。

圖6：自旋與外場的相互作用（圖片來源：九州大學 湯淺研究室）

挑戰與希望：科學探索的新邊界

圖7：自旋電子學器件為突破微電子學極限帶來可能性（圖片來源：Yakout, S.M. Spintronics: Future Technology for New Data Storage and Communication Devices. J Supercond Nov Magn 33, 2557–2580 （2020）. ）

盡管自旋電子學擁有無限潛力，但它的發展道路并非一帆風順。目前，科學家們正在攻克以下難題：

·室溫穩定性：如何讓電子自旋在室溫環境中保持穩定是關鍵問題。

·高效操控性：如何更精準地控制自旋的”舞步”，以實現復雜的信息處理。

·自旋協調性：讓更多電子同步”跳舞”需要全新的技術突破。

每一項挑戰的解決，都會讓自旋電子學更進一步，也會帶來顛覆性的技術革新。

寫在最后：微觀舞者，撬動未來

每當我在實驗室里觀察這些微觀世界的小舞者，總是由衷感嘆：大自然的奇妙遠超我們的想象！誰能想到，微小的電子竟然能用“舞蹈”帶來如此巨大的能量和改變？

自旋電子學正以獨特的方式重塑信息世界的基本邏輯，從數據非易失性存儲到自旋量子信息傳感，從類腦計算到綠色低碳芯片，它正在打開一扇通向未來的科技大門。未來，自旋電子學或將成為推動下一次信息革命乃至工業變革的關鍵力量。

在這條通往未來的探索之路上，中國科學院物理研究所磁學室M02課題組始終扮演著先行者的角色。課題組自2002年成立以來，圍繞“自旋電子學材料、物理和器件”的核心研究方向，長期致力于自旋相關量子效應的發現與器件原理的探索，已累計發表SCI學術論文400余篇，獲中國發明專利和美國及日本等國際專利授權100余項，發現多種新型自旋量子效應，研制出10余種先進的自旋電子原型器件，涵蓋新型磁子閥、磁子結、磁子晶體管、第二代和第三代磁隨機存儲器MRAM、非易失多功能可編程自旋邏輯、自旋共振隧穿二極管、自旋發光二極管、自旋納米振蕩器/微波探測器、概率可調自旋隨機數發生器和受限玻爾茲曼機、高靈敏度低噪聲TMR磁敏傳感器等多個領域，取得了一系列具有國際先進水平的創新性重要成果。課題組由韓秀峰研究員擔任學術帶頭人。韓秀峰研究員畢業于吉林大學，曾在日本東北大學、美國新奧爾良大學、愛爾蘭圣三一學院等國際知名研究機構從事自旋電子學研究，現任國際期刊 JMMM 副主編、SPIN和Sensor等雜志編委，并主編和參與出版了《自旋電子學導論》等多部專著。作為國家杰出青年基金和國家級“百千萬人才工程”入選者，他帶領團隊不斷推進自旋電子學的基礎理論、材料開發與器件創新工作，于2006年率先研制出新型納米環STT-MRAM、及后續納米環自旋納米振蕩器/微波探測器、納米環自旋隨機數發生器、自旋共振隧穿二極管等示范器件，并因在自旋電子學、磁子學和磁學及其應用領域的杰出貢獻榮獲2013年北京市科學技術一等獎和2018年亞洲磁學聯盟獎（AUMS Award）、2024年入選歐洲科學院外籍院士。

站在新一輪科技革命的起點，我們比任何時候都更接近這個量子舞蹈主導的信息時代。讓我們繼續追隨這些微觀舞者的腳步，在磁場與自旋共鳴的節奏中，探索更高效、更智能、更綠色的未來。相信不久的將來，自旋電子學和磁子學必將在信息科學、人工智能、物聯網、深空探測和醫療診斷等諸多前沿領域大放異彩，成為撬動未來信息科學技術的關鍵支點！

編輯：Decoherence