来自美国爱荷华大学、伊利诺伊大学香槟分校和普林斯顿大学的科学家们首次成功直接拍摄到半导体芯片中两个相距不足一纳米的磁性原子间的磁相互作用图像。

　　这项研究成果计划刊登在《自然》期刊7月27日版的首页。该研究成果使科学家们更进一步接近实现制造尖端半导体计算机芯片的目标。据伊利诺伊大学自由艺术和科学系物理学和天文学教授与伊利诺伊大学研究小组领头人迈克尔?夫拉提称，此类芯片主要基于电子的“旋转”特性及相关的“电子自旋学”技术。夫拉提说，“使用电子自旋学技术后，我们可以在一个计算机芯片上进行数据处理和长期储存，而不用像现在一样分别使用中央处理器和硬盘来完成以上操作。数据处理将变得更快和更加节能。采用此类芯片的计算机尺寸将会更小，耗能也会更少。”他补充到，在约20年前，美国国际商用机器公司的研究人员就发现通过引入少量磁原子，一种普通的铟砷化物半导体材料可以令磁保持低温状态。他们所添加的磁原子就是锰，很快他们又发现了许多其它类型的“磁性半导体”。镓砷化物是一种用于手机高性能元件的半导体材料，当添加入猛后镓砷化物就变得具有磁性，但是前提条件是温度必须在零下88摄氏度(零下126华氏摄氏度)。为了能在未来计算机芯片中使用这种材料，像镓猛砷化合物之类的磁性半导体必须在更高的温度下保持磁性，同时还要“更加清洁”或者很少产生流阻。

　　夫拉提说，“目视观测到纳米级的磁相互作用可能会帮助科学家制造出更好的磁半导体材料，也会使磁半导体材料在电子产业得到更好的应用。”夫拉提和伊利诺伊大学助理研究员江明唐一同预测扫描隧道显微镜可能能拍摄到磁相互作用图像。夫拉提说，“一个电子表现出好像它携带了一个小型磁体围绕着它。这个特性我们称之为‘旋转’，目前在计算机芯片领域还没有利用电子的这种特性。如果材料足够好，使用非常少的能量驱动新型计算机芯片就会成为可能。甚至利用原子世界中奇异的量子现象来进行计算的‘量子计算机’问世也会成为可能。”

　　夫拉提和唐预言磁相互作用将主要依赖于原子所处的半导体晶体格子。一些结构的相互作用非常强烈，而另一些却非常微弱。他说，“我们认为能够看到这种作用将是一件非常幸运的事。通常，当锰位于镓砷化物中时，它会进入许多不同位置的格子当中。抛开其它锰原子，只对两个相距一纳米以内的锰原子进行观测，这从统计学上来讲是几乎不可能的事情。”

　　夫拉提写到，研究小组采用了一个完全不同的方法来观测磁相互作用。他们放弃了靠运气寻找一个原子排列的想法，他们将锰原子一次性地放入一张新的和干净的镓砷化物片上。普林斯顿大学物理学教授阿利?雅兹达尼是此项研究的参与者之一，他说，“使用扫描隧道显微镜的尖端，我们可以从基础材料中取出一个单一原子，然后使用一种单一金属原子来取代它的位置，以使半导体具备磁的特性。通过努力，科学家们首次获得了半导体原子级结构的控制度数。研究小组使用这个特有的成就以一次制造一个原子的方式制造了一个半导体磁。具备制造原子级的半导体就像是握有电子学的圣杯，这种方法可能正是我们所需要的。”

　　戴尔·克勤是雅兹达尼实验室的一名研究员，他在使用扫描隧道显微镜这种探测复杂材料的高技术工具时偶然间发现解决方法。扫描隧道显微镜是一种非常不同于台式光学显微镜的设备。扫描隧道显微镜具有精确敏锐的电子探测能力，它可以滑过表面探测弱电场的变化。然而，研究小组却发现扫描隧道显微镜的尖端还可以把一个单一镓砷化物原子从表面弹射出来，并且使用邻近的锰原子取代镓砷化物原子的位置。

　　通过将锰原子混入镓砷化物半导体的方式，研究小组制造一个原子级的实验室以展现研究人员追寻了几十年的东西：芯片材料中原子和电子之间的精确相互作用。研究小组利用这项技术发现了一种提高镓锰砷化物磁性的最佳锰原子排列。这些排列与夫拉提和唐的预测完全吻合。夫拉提说，“预测一种材料将如何表现，然后在这个实验中戏剧性地证实了这种预测的存在，这是我最愉悦的研究经历。”

　　夫拉提警告说，为了取得进一步的研究发展，我们现在就将这项新研究成果转化为新的芯片技术，使用扫描隧道显微镜来制造大块高质量镓锰砷化物可能还不切实际。但是他同时也表示，从最佳半导体磁原子排列中学到的经验将转化为其它半导体开发技术以及其它磁半导体材料开发技术。