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结构中会形成驻波

钻石

钻石拥有许多独特的物理性质。高纯度的钻石中有一种特殊杂质,，拥有

相当稳定的电子自旋状态，可以存储量子信息；不同杂质之间的自旋相互作

用,，可以实现复杂的量子逻辑运算。有一天，量子计算机会出现在我们的日

常生活之中，它的核心很可能是用钻石制造的。

撰文戴维?D?阿沙洛姆（DavidD.Awschalom）

赖安?爱泼斯坦（RyanEpstein）

罗纳德?汉森（RonaldHanson）

翻译张童

审校薛其坤

金刚石，俗称钻石，是一系列物理性质的世界纪录保持者：拥有超高

的硬度，热导率也是所有固体材料中最优良的，对紫外线也高度透明。随着高

纯度单晶金刚石制备技术和掺杂技术的发展，金刚石在固态电子器件上的应用

前景也越来越诱人。纯净的金刚石是电的绝缘体，但如果掺入杂质，金刚石就

会变成具有奇特性质的半导体，可用来探测紫外线，制作紫外线光电二极管、

光学设备以及大功率微波器件等。然而，金刚石最令人激动的应用出现在量子

自旋电子学（spintronics）领域，可能会带来实用的量子计算机（这种计算机

具备常规计算机难以企及的运算能力），还有可能实现高度安全的量子通讯技

术。

自旋电子学是电子学的进一步发展。传统电子学驾驭的只是电子的电

荷，而自旋电子学除了电荷以外，还要驾驭一种被称为“自旋”（spin）的物

理性质――这种性质让电子的行为方式看起来就像小磁棒。你的计算机里也许

就有自旋电子学的第一个初级商业化产品――硬盘磁头。1998年以来，硬盘磁

头开始利用一种名为“巨磁电阻效应”（giantmagnetoresistance）的自旋电

子学现象，来探测磁盘上微小磁畴的取向（不同的取向代表着二进制数据中的

0和1），从而实现数据的读取。

另一种自旋电子学器件――磁随机存储器（MRAM），将出现在今后几

年的新型计算机中。与硬盘一样，MRAM也用磁性储存信息，因此是非易失性存

储器――断电后数据信息也不会丢失；而数据的读写则靠电来完成――与其他

用电荷储存信息的存储器一样。摩托罗拉子公司飞思卡尔半导体公司

（FreescaleSemiconductor）已于2006年率先推出了MRAM的商业化产品。

如果使用非易失性存储器芯片，计算机就不必在每次开机后，都耗时

费力地从硬盘上重新载入程序,，而是瞬间复原到关机前的状态，就像现在的

掌上电脑一样。因为所有需要载入的程序和数据仍然保存在内存芯片中，并没

有丢失。

现在，更先进的自旋电子技术还处于早期研究阶段，比如能够在控制

电流的同时利用自旋的自旋晶体管（spintransistor）。掌握了这些技术，我

们就能制造出运行时可重新设定逻辑电路的计算机芯片。

量子电子学

在量子计算机中，量子比特的取值不再只是0或1，还可能既为0又

为1，这让量子计算机具备了无与伦比的运算能力。但是量子比特又该如何实

现呢？磁头和MRAM之类的设备代表了一大类自旋电子器件。在这类器件

中，大量电子的自旋按同一方向排列（即自旋极化），就像地板上许多顺时针

旋转的陀螺一样。这类电子被称为“自旋极化电子”（spin-polarized

electron），它们通常会流经器件的某些部分，产生自旋极化电流（即自旋

流），非常类似于被极化的偏振光束。近年来，研究人员在这一领域取得过许

多激动人心的发现，包括如何在不依赖磁性材料和笨重线圈获得磁场的情况下，

在半导体材料中产生自旋极化并加以控制。特别值得一提的是，包括我们在内

的多个研究小组都观察到了一种奇特的现象――“自旋霍尔效应”（spinHall

effect，参见第70页的《控制集体自旋》一文），它有很多潜在用途。

量子自旋器件是比磁性存储器更加先进的第二类自旋电子器件，它们

能控制单个电子，利用电子的自旋量子特性。量子自旋电子学提供了一种实用

的量子信息处理方法。所谓量子信息处理，就是用量子比特（qubit）替代普通

计算机中的