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电子是电子学领域忠实的步兵，尽职尽责地携带电荷，使我们能够进行日常活动，从拨打手机电话到听音乐，再到——嗯哼——阅读在线新闻报道。
但对于渺小的电子来说，除了将电荷从一个地方转移到另一个地方之外，还有更多的意义。电子还具有一种称为自旋的属性；电子可以“向上自旋”或“向下自旋”，就像微小的磁罗盘针一样指向两个方向之一。由于自旋可以被操纵，并且由于两种自旋状态与数字位的 0 和 1 完全对应，因此在相对年轻的自旋电子学领域的研究人员一直在努力将信息编码到电子的自旋中，从而更充分地利用粒子天然的数据携带能力。
但是电子自旋往往具有相当短暂的可用寿命；即使在最佳条件下——在仅比绝对零度高一点的纯样品中——编码在电子自旋上的信息也会在几秒钟（甚至更短）的时间尺度上丢失。现在，犹他大学、佛罗里达州立大学、伦敦大学学院和澳大利亚悉尼大学的研究人员报告了一种方法，通过将电子的自旋编码到寿命更长的原子核自旋上，将信息寿命延长到 100 秒以上，然后可以以电子方式读出。这项研究发表在12 月 17 日的《科学》杂志上。
与许多自旋电子学研究人员一样，悉尼大学物理学家Dane McCamey和他的同事们将目标锁定在捕获在硅中的磷原子的电子上。掺磷硅是一种很有前途的自旋电子学介质，因为每个磷原子“贡献”一个额外的电子，该电子可以相当自由地轨道运行，因此可以在硅晶体中进行操纵。而硅已经构成了传统信息处理设备的骨干，它是一种可以轻松地与现有电子设备连接的介质。“我们希望开发一种用于自旋电子学的存储元件，该元件也与传统的硅基电子设备兼容，”McCamey 说。
该小组不必费力寻找其自旋电子存储器，因为尽管磷施主电子的自旋寿命很短，但磷核的自旋却相当稳定。“原子核自旋对环境的免疫力更强，”McCamey 说。
研究人员从一组向下自旋的原子核开始，使用经过特殊调谐的射频脉冲来制造一种逻辑门：如果电子的自旋向下，则原子核保持不受影响；如果电子的自旋向上，则原子核自旋也向上翻转。结果是电子自旋和原子核自旋匹配——自旋信息已被有效地编码到寿命更长的原子核存储器中。因此，即使电子本身失去了记忆，其自旋内容也通过代理得到了保留。
存储在磷核中的信息随后可以以电子方式读取。通过另一个脉冲，研究人员有选择地翻转仅那些自旋方向在一个特定方向上的原子核的电子自旋。这种翻转会记录为通过设备的电流变化——当磷电子的自旋与硅样品中传导电子的自旋相反时，磷施主可以捕获传导电子并导致电流可测量的下降。如果磷电子的自旋与传导电子的自旋相同，则后者无法被捕获并畅通无阻地通过硅。通过跟踪电流的变化，研究人员可以推断出原子核自旋的指向。
目前，长期存储仅在大数量的磷施主中得到了证实——在新研究中使用的设备中可能存在 100 亿个磷原子——但 McCamey 表示，该技术应适用于实用自旋电子学所需的小规模。“我们喜欢先用大样本做事情，”他说。“但是我不认为有任何物理原因可以阻止我们用更小、更小的原子集合来做这件事。”