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電子是電子學領域忠實的步兵，盡職盡責地攜帶電荷，使我們能夠進行日常活動，從撥打手機電話到聽音樂，再到——嗯哼——閱讀線上新聞報道。
但對於渺小的電子來說，除了將電荷從一個地方轉移到另一個地方之外，還有更多的意義。電子還具有一種稱為自旋的屬性；電子可以“向上自旋”或“向下自旋”，就像微小的磁羅盤針一樣指向兩個方向之一。由於自旋可以被操縱，並且由於兩種自旋狀態與數字位的 0 和 1 完全對應，因此在相對年輕的自旋電子學領域的研究人員一直在努力將資訊編碼到電子的自旋中，從而更充分地利用粒子天然的資料攜帶能力。
但是電子自旋往往具有相當短暫的可用壽命；即使在最佳條件下——在僅比絕對零度高一點的純樣品中——編碼在電子自旋上的資訊也會在幾秒鐘（甚至更短）的時間尺度上丟失。現在，猶他大學、佛羅里達州立大學、倫敦大學學院和澳大利亞悉尼大學的研究人員報告了一種方法，透過將電子的自旋編碼到壽命更長的原子核自旋上，將資訊壽命延長到 100 秒以上，然後可以以電子方式讀出。這項研究發表在12 月 17 日的《科學》雜誌上。
與許多自旋電子學研究人員一樣，悉尼大學物理學家Dane McCamey和他的同事們將目標鎖定在捕獲在矽中的磷原子的電子上。摻磷矽是一種很有前途的自旋電子學介質，因為每個磷原子“貢獻”一個額外的電子，該電子可以相當自由地軌道執行，因此可以在矽晶體中進行操縱。而矽已經構成了傳統資訊處理裝置的骨幹，它是一種可以輕鬆地與現有電子裝置連線的介質。“我們希望開發一種用於自旋電子學的儲存元件，該元件也與傳統的矽基電子裝置相容，”McCamey 說。
該小組不必費力尋找其自旋電子儲存器，因為儘管磷施主電子的自旋壽命很短，但磷核的自旋卻相當穩定。“原子核自旋對環境的免疫力更強，”McCamey 說。
研究人員從一組向下自旋的原子核開始，使用經過特殊調諧的射頻脈衝來製造一種邏輯閘：如果電子的自旋向下，則原子核保持不受影響；如果電子的自旋向上，則原子核自旋也向上翻轉。結果是電子自旋和原子核自旋匹配——自旋資訊已被有效地編碼到壽命更長的原子核儲存器中。因此，即使電子本身失去了記憶，其自旋內容也透過代理得到了保留。
儲存在磷核中的資訊隨後可以以電子方式讀取。透過另一個脈衝，研究人員有選擇地翻轉僅那些自旋方向在一個特定方向上的原子核的電子自旋。這種翻轉會記錄為透過裝置的電流變化——當磷電子的自旋與矽樣品中傳導電子的自旋相反時，磷施主可以捕獲傳導電子並導致電流可測量的下降。如果磷電子的自旋與傳導電子的自旋相同，則後者無法被捕獲並暢通無阻地透過矽。透過跟蹤電流的變化，研究人員可以推斷出原子核自旋的指向。
目前，長期儲存僅在大數量的磷施主中得到了證實——在新研究中使用的裝置中可能存在 100 億個磷原子——但 McCamey 表示，該技術應適用於實用自旋電子學所需的小規模。“我們喜歡先用大樣本做事情，”他說。“但是我不認為有任何物理原因可以阻止我們用更小、更小的原子集合來做這件事。”