劍橋大學(xué)26日稱，該?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室與德國(guó)、捷克等國(guó)研究機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在有機(jī)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，為使用有機(jī)半導(dǎo)體生產(chǎn)速度更快、能效更高的計(jì)算機(jī)帶來(lái)了希望。

“自旋”是電子固有的角動(dòng)量術(shù)語(yǔ)，被簡(jiǎn)稱為向上或向下。用電子的上/下狀態(tài)代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)邏輯中的0和1，可以改變計(jì)算機(jī)處理信息的方式。建立在自旋電子學(xué)基礎(chǔ)上的器件的工作原理，是利用一系列電子的相關(guān)自旋(稱為純自旋電流)來(lái)傳輸信息，取代四處移動(dòng)的電荷包。通過消除電荷的移動(dòng)，器件本身不僅消耗的電力更少，而且產(chǎn)生的熱量也少，由此解決了耗能和散熱等進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)性能的主要障礙。所以基于有機(jī)半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)器件，一直被認(rèn)為可以提供更快、更節(jié)能的計(jì)算機(jī)，且能執(zhí)行比目前更加復(fù)雜的操作。但在過去10年里，有機(jī)自旋電子學(xué)的發(fā)展一直比較沉寂，其主要原因是難以做到在不丟失原始信息的情況下，使電子自旋能夠圍繞聚合物電路移動(dòng)足夠遠(yuǎn)的距離。

有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常高度無(wú)序，電荷包的移動(dòng)速度遠(yuǎn)不如在硅或砷化鎵等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度，并且這兩種半導(dǎo)體都具有高度有序的晶體結(jié)構(gòu)。通過對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電子自旋的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)半導(dǎo)體中的電子自旋往往是和其中的電荷一起運(yùn)動(dòng)的，由于電荷移動(dòng)得比較慢，所以自旋也不會(huì)走得遠(yuǎn)，通常只有幾十納米。

為促使電子的自旋能夠通過一個(gè)合理的距離，且在編碼信息隨機(jī)化之前存活足夠長(zhǎng)時(shí)間，研究人員人為地增加了有機(jī)材料中的電子數(shù)量，并使用一種稱為自旋泵的技術(shù)向材料注入純自旋電流。研究人員發(fā)現(xiàn)，高導(dǎo)電性有機(jī)半導(dǎo)體受一種新的自旋輸運(yùn)機(jī)制控制，這種機(jī)制能將它們轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅：玫淖孕龑?dǎo)體。這種機(jī)制本質(zhì)上就是將自旋信息從電荷中解耦，這樣，自旋就能在長(zhǎng)達(dá)1微米的距離內(nèi)快速傳輸，這個(gè)距離對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的自旋電子設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠大。下一步，該團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步研究化學(xué)成分對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體在原型器件中有效傳輸自旋信息能力所起的作用。

研究人員認(rèn)為，具有長(zhǎng)距離自旋傳遞和長(zhǎng)自旋壽命的有機(jī)半導(dǎo)體，是未來(lái)基于自旋、低能耗的控制和通信設(shè)備的良好材料，比硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體更便宜、更容易生產(chǎn)。這一成果發(fā)表在近期出版的《自然·電子》雜志上。