物聯網(IoT)催生出了一個物物相連，所有設備都搭載資料處理和連線能力的龐大網路，但如何讓電子設備以最少的能源提供強大運算效能？一項科學研究可望為未來的電子技術發展奠定基礎，美國德拉瓦大學(University of Delaware)的科學家們證實了過去僅存在於科學理論中，迄今從未確切證實的由電子產生的磁場。

德拉瓦大學物理暨天文學教授John Xiao的自旋電子研究室（圖：UDaily）

該研究的領導人是德拉瓦大學物理暨天文學教授John Xiao。半導體是目前電子世界中最關鍵的操作元件，它搭載電子電荷，但並不具備次原子粒子的磁性或自旋特性。而在德拉瓦大學的自旋電子學暨生物檢測中心，Xiao和他的團隊正試圖揭露這些屬性。

Xiao指出，電子在磁場中將會處於自旋向上(spin up)或自旋向下(spin down)態，與電腦用於編碼和處理資料的0與1二進制狀態相關聯。其中一個自旋態與磁場相符，另一個則相反。一個自旋電子裝置會需要比自旋向上或自旋向下更多的電子數。而在這個全新的領域中，下一個主要目標是控制磁化方向。

過去幾年來，科學家們已經成功地在以相反方向進行反向自旋移動的電子中產生純自旋電流。這是藉由讓電流通過非磁性的重金屬如鉑、鎢和鉭來達成的。然而，在雙層的重金屬和鐵磁材料如如鐵或鈷之中，這種純自旋電流會擴散到鐵磁材料中。Xiao和他的團隊已經在這種情況發生時檢測到磁場，可用來切換材料的磁化。

該磁場被限制在鐵磁材料內，不像傳統磁場是由磁鐵產生且難以屏蔽。Xiao表示，這項發現對高度整合的電子設計非常重要，因為像磁性隨機存取記憶體要在每個單元中屏蔽磁場是非常艱鉅的任務。

「先前該磁場只存在於預測中，從未被實驗證實。但我們證明了它的存在，」Xiao說。「我們現在有了產生磁場的新方法，可以控制奈米磁鐵(nanomagnet)的方向，而且還有新的量測技術可用來表徵磁場。」

Xiao的研究已獲得美國能源署和美國國家科學基金會的資助。他的研究成員還包括研究助理Xin Fan、研究生Jun Wu和Yunpeng Chen、德拉瓦大學的本科生Matthew Jerry，以及中國電子科技大學的Huaiwu Zhang。