《科学之光—量子神奇》的第三讲由教育部新世纪人才支持计划入选者、首届国家自然科学基金优秀青年基金获得者南京大学物理学院吴镝教授主讲。
吴镝教授首先介绍了我国在磁学和磁体方面研究的悠久历史。吴老师引用《管子》和《吕氏春秋》等古代典籍的介绍，指出我国是世界上最早认识并利用磁现象的国家之一，比欧洲国家早了至少一千年。
尽管如此，仍不可否认的是，现代磁学理论体系是基于西方科学家的几个重要的实验现象的。想要理解近现代磁学的重要效应，吴老师首先补充介绍了磁矩、角动量和角动量守恒的概念，指出磁矩是正比于角动量的，并带领同学们分析了磁矩在均匀磁场和非均匀磁场中受力、运动的情况。紧接着，按照时间顺序，吴老师向大家依次介绍了Einstein-de Haas效应（1910年）、Barnett效应（1915年）以及著名的Stern-Gerlach实验（1921年）。根据Stern-Gerlach实验，吴老师指出，电子不仅电荷，还有自旋的本征属性，因此，它的磁矩是有方向的。如果以数据0和1来代表它的两个方向，并对自旋加以操控，就可以将其用于逻辑计算、数据存储等方面。由于自旋的改变速度很快，相比于传统半导体通过电容充放电、读取电阻高低值等的技术手段来区别0和1，磁性体系的信息存储和处理有先天性的速度优势。在此，吴老师引出了自旋电子学的概念：它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩，这是一门前沿的学科和技术。
接下来的时间里，吴老师进一步介绍了自旋电子学的进展和应用。吴老师按照电子计算机的重要组成部分来展开，分别介绍了自旋电子学对于硬盘、存储器和中央处理器（CPU）三者性能的大幅提升。对于硬盘来说，通过磁场传感器扫过硬盘，迅速判断磁矩的方向，可以实现数据的快速存储、读取。因硬盘的速度相对于CPU很慢，CPU不能直接读取硬盘的信息，必须先读取内存的信息才行。对于存储器（内存）的研究相对较为成熟，至今已近经历了三代。吴老师详细介绍了三代存储器的发展：第一代存储器（磁性随机存储器）结合了闪存和内存的优点，并利用隧道磁电阻效应产生的高低电阻来进行运算；第二代内存指非易失性磁随机存储器(STT-MRAM)，它通过自旋电流实现信息写入，可以通过运动电荷的自旋与局域电子自旋的相互作用，实现角动量的传递；第三代内存指新型自旋轨道转矩磁性随机存储器（SOT-MRAM），基于霍尔效应，通过纯自旋流传递数据。它通过高灵敏的磁场传感器，可以实现对磁矩偏转角度的读取，拥有可以比拟CPU的速度。最后，吴老师还介绍了基于场效应管的CPU，它利用磁矩在平行与反平行是电阻的巨大差异区分数据的0和1，进行逻辑运算，通过操纵磁矩的方向就可以快速地改变高低电阻，比传统的CPU速度明显提升。
最后，吴老师总结到，基于自旋电子学的现代信息技术，通过控制磁矩来实现数字化，这使得电子器件无焦耳热，功耗低，读取速度也显著提高，目前已有不少应用投产。自旋电子学无疑是当前电子技术的研究热点，也是未来发展的方向。吴老师的讲座由浅入深，为同学们展现了磁学发展的脉络，深入介绍了近现代电子科学与技术发展的关系，在同学们之间引发了热烈的讨论。（图文：物理学院 郭子靖）