俄亥俄州立大学的的一项新研究首次证明，金刚石可以作为计算机数据传输的介质，而且其效果要优于早先研究中使用的金属材料。这一研究结果已于3月23日发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。
    该研究属于一个新兴领域——自旋电子学。这一领域的相关研究成果可以显著提升计算机性能。实验中发现，电子在金刚石导线中并不会像它们在普通导线中那样移动；相反，电子并不移动，而电子的一种被称作“自旋”的磁效应则会通过导线传递给其他电子。这种方式类似于看台上观众组成的“人浪”。
    俄亥俄州立大学著名实验物理学家、研究领导者克里斯·海默尔（Chris Hammel）认为，金刚石在自旋电子学领域有着十分重要的研究价值。因为金刚石是一种坚硬、透明的电绝缘材料，而且它耐酸、性质稳定，也不像半导体那样容易发热。
    金刚石内部的碳原子排列非常紧密，没有游离的电子，所以金刚石本身不能传递电子自旋。海默尔表示：“正因为金刚石太稳定了，所以之前科学家一直认为，这是一种除了装饰戒指以外没什么用的材料。但是，将它用于计算机中这一想法却十分有趣。”在这次研究中，研究人员将氮原子插入碳原子之间，这样导线中就有了可以改变自身自旋态的未成对电子。每300万个碳原子中仅需插入一个氮原子，就足以使电子的自旋在钻石导线中传递。
    海默尔的研究团队将一截经过改造的、长度4微米、宽200纳米的金刚石导线降温至4.2开尔文（约合零下269摄氏度），放在磁共振力显微镜下观察，结果显示导线内电子的会按照某种模式改变其自旋态。


a. 磁共振力显微镜测量导线中电子自旋噪声示意图。共振线圈可以在磁性颗粒周围的磁场中形成共振切片。随着悬臂的运动，磁场也会发生相应的变化，共振切片会扫过探针。探针正中间探测到的自旋信号（实心红色）强度最大，越靠近探针边缘信号越弱。b-e. 示意图展示了探针扫过导线（浅黄色长方形区域）的过程。双箭头表示随着探针的移动，电子自旋反转的传递方向。f. 自旋信号（紫色圆点）随着探针位置的变化，当探针完全进入导线（图e）时，限号强度达到最大。g. 自旋相关时间（绿色菱形）。一开始（图b）自旋在探针外侧快速传递，但是随着探针进入导线（图c），自旋需要传递更远的距离才能离开探针，这导致了时间的增加。一旦探针完全进入导线（图d，e）自旋可以向探针的两侧传递，此时时间开始减少，约为峰值的一半。研究者供图。

    这种金刚石导线的价格比钻戒便宜很多，只要100美金。不过它使用的不是天然金刚石，而是人造金刚石。“如果这种导线被用于计算机，它就可以用来传输信息。导线一端的电子的自旋态会通过导线传递给位于另一端的电子。”海默尔说。
    研究中还发现，位于导线末尾的电子的自旋态的维持时间是导线中间的电子的两倍，而之前的实验则认为二者的持续时间应该相同。
尽管目前的研究成果离成功制造出金刚石晶体管还很遥远，但是研究为科学家理解电子自旋提供了一个新的角度。
    在过去的实验中，科学家只能观察到物体中电子自旋态的平均值：自旋方向向上和向下的电子的总数。所以只要总数不变，科学家无法得知电子自旋方向是如何改变的。但是，这一研究将改变过去70年来科学家对于电子自旋的研究方法。
    海默尔认为：“我们需要的不是平均值。我们想知道自旋方向到底是怎么改变的，以及特定自旋态的持续时间。”

原文参考：Science Daily，Spintronics: Could diamonds be a computer's best friend?