电子自旋器件(Spintronics)虽然一直被认为可能替代当前的大规模集成电路芯片(Post-CMOS)，但在它真正成为制造新的晶体管的基础材料前，还有许多问题需要解决。
截然不同于传统晶体管通过开闭电流实现二进制逻辑电路(Binary Logic)的原理，电子自旋器件利用的是电子自身旋转量子化(Quantum Property)的性质。电子自旋与自身磁性紧密相关：如果一种材料其内部电子的旋转方向一致，那么这种材料就具有磁性。
为了利用该现象在晶体管中实现数字逻辑，大多数设计依赖在磁性金属与绝缘材料交界面积累电子(Electron Accummulation)。不幸的是，当加上电压(Voltage)时，这种设计很难翻转电子自旋方向。
现在，麻省理工学院的研究人员为这个难题找到了一种新的解决方法，他们摒弃传统的电子累积法，用氢离子制造电子自旋器件。这种新式电子自旋器件可以让磁性100%翻转，远超旧设计仅1%翻转的效果。这个进展标志着电子自旋器件向实现数字逻辑(Digital Logic)应用前进了一大步。
之前几年电子自旋晶体管研究聚焦电子累积设计思路的原因是因为其只要施加电压即可工作。
在这种装置中，电绝缘体(Insulator)和磁性层(MagneticLayer)之间的界面处会产生电场。因为磁性材料仅为几个原子厚，所以施加电场（或积累电荷）就能改变靠近磁场和绝缘体交界面的器件的电子结构。
这就为用电压控制磁性提供了机会。可是，这种方法缺点也很明显：效果太差，磁性大约只能变化1%。这基本上就相当于隔靴搔痒，很难有实际的用处。
另一种方法则基于离子。在这种设计中，氧离子用来改变电子自旋器件的磁性。然而氧原子那相对偏大的个头很容易让材料变形并且让设备短时间内无法运行。
根据在《自然·材料》(Nature Materials)期刊上的最新研究报道，麻省理工学院一团队再次使用离子，注意！这一次不是氧离子，他们用的是小得多的氢离子(Hydrogen Ions)。他们发现用采用氢离子的材料经过两千多次测试后也不会降解(Degrade)。
“通过让离子围绕磁性材料附近旋转，我们基本改变了物质的连接性质，或是它和邻近物质的连接方式”，麻省理工学院教授同时也是本研究的共同作者Geoffrey Beach说道，“这样我们就可以完全改变它的性质。”Beach教授还补充说，这些离子效应(Ionic Effects)基本可控制磁力的开闭。
虽然如此，这些小小的氢离子还不能做到包打天下。研究人员需要找到易导电并且可与磁性材料结合的物质。
“离子材料(IonicMaterial)与磁性材料完全不属于同一级别，”Beach教授说道，“我们成功地用多种功能各异的材料制成了一种新装置，并且使得这些功能和谐共存。”
在这种情况下，这个装置可以将从环境中收集电子、把电子射入或射出固体材料这三个步骤并行处理，并且可以通过这些步骤存在与否来控制材料的磁性。
Beach教授也承认如果想将它应用于存储装置领域，那么还需要极大地提高它的反应速度。
“虽然我们在这项工作中进步很大，但是想要用在例如磁性随机存储器(MagneticRAM)这种装置中，它的速度还需要更快，”Beach教授说道，“这需要更灵敏的导体，我们相信这些导体可以合理地集成到现有设备上。”
话虽如此，Beach教授相信对于其它应用，例如神经形态计算(NeuromorphicComputing)，速度并不是决定性的。“当前急需的工作是确认最佳的装置结构来开发这些新功能，”他补充道。
本文作者：Dexter Johnson
翻译|罗广桢
审校|马晓彤
