短短1分30秒里，一个小男孩伴着音乐和一堆银色小球玩耍，并完成跳跃、舞蹈等一系列令人眼花缭乱的动作。这一场景出现在一部名为《一个男孩和他的原子》的微电影中。

  有趣的是，推出这部微电影的并不是什么影视公司，而是科技巨头IBM。一经问世，那些银色小球便吸引了无数人的眼球。它们的存在令该影片获得了“世界最小电影”的吉尼斯世界纪录认证。因为这些银色小球都是真实的原子。

  是谁让原子们可以随意变换队形，甚至秀出动感舞姿？一种新兴技术的研究功不可没。在这里，电子自旋的自由度得以被操控。

  当自旋电子学施展“魔法”，存储介质的体积将变得越来越小，而存储的容量却越来越大，甚至无限延展。

  忘了刻在你手机上16GB（ Gigabyte，一种存储单位，表示千兆字节）或者32GB的存储空间提醒吧。也许很快，我们就可以在智能手机、可穿戴设备、或者微型播放器这样的小型移动设备上，存储海量信息。

  到那时，一粒沙中或许真能存储一个世界。

  ⊙记者 王宙洁 ○编辑 秦风

  在一粒沙中存储一个世界。梦想成真的那一天，我们要感谢站在自旋电子学背后的巨人之一——美国材料学家斯图尔特·帕金。

  科学研究是他的一切。这种对于大幅扩展硬盘数据存储容量等方面的专注，将他送上2014年芬兰“千年技术奖”的宝座。

  和历任获奖者一样，帕金带来的改变被认为是具有颠覆性的——他让微观世界的电子运动变得尽在掌握，更让大数据科学从此有了物理基础。

  存储介质微乎其微、存储容量无限扩张，一个基于海量大数据处理能力的信息世界，离我们的真实生活越来越近。

  自旋电子“微缩史”

  “自旋电子学”一词是在20世纪90年代出现的，用于描述利用“自旋”能力的设备——自旋是电子的量子力学属性，它仅使用两个值：上自旋和下自旋。

  微驱动器的进化

  IBM 1999年推出微驱动器，这是目前最小的硬盘驱动器。它在单片1英寸磁盘上的容量达到了170MB（Megabyte，兆字节，简称“兆”1MB=1024KB）。后来收购IBM硬盘业务的日立公司在2006年将微驱动器容量增加到8GB（Gigabyte 吉字节，又称“千兆”1GB=1024MB）。微驱动器比闪存具有更高容量，而且每GB的成本更低。在过去10年间，微驱动器在诸多个人数字设备中得以应用，包括苹果的iPod Mini 和iPod Classic、Palm 的LifeDrive个人数字助理，以及多种mp3播放器、数码相机、打印机和手机。

  自旋电子学的应用

  IBM 研究人员斯图尔特·帕金和他的同事关于“自旋阀”的发现和应用——尤其是在原子级改变材料磁性状态的能力——显著提高了存储容量，从而改变了磁性数据存储的状况。这为当前许多常见的设备和在线应用铺平了道路。仅仅在2005年，所有采用自旋阀的硬盘存储的数据量就相当于当时世界上的全部模拟数据量——大约100艾字节（Exabyte，1EB即百亿亿字节，又称艾字节）。

  自旋阀的发明

  自旋阀传感器在硬盘阅读磁头中最早的应用是在IBM Deskstar 16GP Titan 中，该产品1997年发布，拥有16.8GB存储容量。2007年，日立公司（2003年收购了IBM 的硬盘事业部）推出了Deskstar 7K1000，这是第一个1TB（Trillionbyte，万亿字节，也称太字节， 1TB=1024GB）硬盘驱动器。如今，日立 Deskstar 7K3000 的存储容量达到了3TB。

  内存形式的革命

  目前，帕金正在带领着一组研究人员研究赛道存储器，其理论基础便是自旋电子学现象，并以3D形式来储存数据。存储容量的大大增加使得“云”中的大型数据中心的演变成为可能。

  存储空间剧变

  帕金是自旋电子材料学的先驱人物。上世纪80年代末，他在磁金属材料的“巨磁电阻”效应方面取得开创性成果，其中最大的贡献是开发出一种基于磁自旋电子的数据读取磁头（自旋阀），这一技术使得硬盘的储存容量提高了数千倍。

  他早期的研究还帮助法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同摘得2007年诺贝尔物理学奖的桂冠。

  上述两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。上世纪八十年代末，费尔的科学团队发现，在一定条件下微弱的磁场变化就可以引起电阻的急剧变化，费尔将其命名为“巨磁电阻效应（GMR）”。很快，格鲁伯格也发现了同样的效应。

  此时的帕金，是IBM Almaden 研究中心磁电子学小组的负责人。基于GMR，帕金和他的IBM团队开发出了自旋阀读写磁头，使硬盘的数据存储密度增长了上千倍。

  根据IBM的描述，通过在材料的两个磁层间增加一个非磁层，并且应用小的磁场，流经这个中间层的电流可以大大改变。原因是在磁层中，由负电荷电子组成的电流会发生“自旋极化”：所有电子的自旋方向会“向上”或“向下”，这由这些层的磁性方向而决定—就好像纳米级罗盘针指向北极或南极。

  而小磁场改变着这些罗盘针的方向，这为打开或关闭“自旋极化”电流提供了一种能力，就好像一个阀门一样。而让相邻原子的电子自旋反向相反，那么原子之间将难以相互干扰。这样一来，便可以大大缩小所需空间，并显著增加存储密度。

  1997年，拥有16.8GB 的存储容量的磁盘在IBM问世，它成为世上首个应用自旋阀传感器的案例。十年后，日本日立公司推出全球第一个1TB容量的硬盘驱动器，人们看见存储空间的剧变。

  产业未来无限

  目前，帕金正带领一组人研究赛道存储器，这一概念在2004年被提出，其理论基础便是自旋电子学现象，并以3D形式来储存数据。

  之所以命名为赛道，是因为其采用自旋定向电子的电流沿着磁性赛道“奔跑”。它具有超低成本与耗电量，一颗电池就能连续使用一周，并保持数十年。

  这项具有里程碑意义的技术一旦试验成功，将能综合固态硬盘的高性能和可靠性，并具有传统硬盘的高容量及低成本。

  中国的科学家们也一直在努力做出尝试。

  今年4月，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院教授杨金龙研究组在寻找具有室温半金属磁性材料方面取得重要理论进展，使得制备可在常温环境下工作的自旋电子器件成为可能。

  杨金龙研究组所设计的新型层状合金材料，为制备具有室温半金属磁性材料指出了一个明确的方向，有望令自旋电子器件的研究与应用掀起一场新的革命。

  这为更多的产业利用提供了可能。海外媒体分析称，如果有存储密度是现在硬盘1000倍的存储介质诞生，移动硬盘的容量就将从现在的1TB增加到1PB（Petabyte，千万亿字节，也称拍字节）。

  到那时，随身携带所有数据将成为现实。

  数据量的爆炸式增长更令这种技术发展快马加鞭。一旦有了可以处理庞大复杂数据的空间，使得在云计算中建立大型数据中心成为可能，并且可应用于电信、能源和生物医学等多个领域。

  2009年，日本东京大学的研究人员便已经使用超微技术，在世界上首次成功利用电子自旋发电，可应用于磁传感器或用来为超小型电子器械制造电源。此外，日本大阪大学与产业技术综合研究所利用自旋电子技术，开发出了二极管灵敏度极高的超小型自旋转矩二极管。

  帕金的自旋阀读写磁头让数据采集和存储容量的大幅扩张，当人们的周围充斥着大型数据中心和云服务、社交网络甚至是在线电影，一个基于海量数据处理能力的信息世界正在渐渐向我们走来。