新型自旋電子器件用電磁波進行計算,結果如何

2020-11-24 電子發燒友

新型自旋電子器件用電磁波進行計算，結果如何

環球創新智慧 發表於 2019-12-12 15:52:00

（文章來源：環球創新智慧）

據美國麻省理工學院官網近日報導，該校研究人員設計出一款新型電路，它能在不耗電的情況下，利用電磁波對計算進行精準控制。這一進展朝著基於磁性的實用性器件邁出了關鍵一步，這種器件將比傳統電子器件具有更為高效的計算潛力。經典的計算機進行計算與存儲數據時，都需要耗費大量的電力，並產生大量的廢熱。數據中心的伺服器就消耗了全球2%~5%的電力，並產生出許多熱量，而這些熱量需要更多的電力去冷卻。

為了尋找更加高效的替代方案，研究人員們開始設計基於磁性的「自旋電子」器件。這種器件使用相對較少的電力，並且幾乎不產生熱量。自旋電子器件利用了具有晶格結構的磁性材料中的「自旋波」（電子的一種量子特性）。這種方案涉及調整自旋波特性，生成某些可測量的輸出，而這些輸出與計算相關。到目前為止，調整自旋波需要採用笨重的部件來注入電流。這些部件會引起信號噪聲，並有效地抹殺任何固有的性能增益。

近日，美國麻省理工學院的研究人員開發出一種電路架構，它採用了處於磁性材料層狀納米膜中僅一納米寬的疇壁，來調整通過的自旋波，而無需任何額外的組件或者電流。反過來，自旋波可根據需要調整以控制疇壁的位置。這樣就可以精準控制兩種變化中的自旋波狀態，這兩種狀態對應於經典計算機中使用的0和1。

未來，成對的自旋波可通過雙通道饋送到電路中，根據不同的特性進行調製，並結合起來生成某些可測量的量子幹涉，類似於量子計算所用的光子波幹涉。研究人員假設，這種基於幹涉的自旋電子器件，像量子計算機一樣，可以執行傳統計算機難以應付的高度複雜的任務。

Luqiao Liu 表示：「人們開始尋找超越矽的計算方式。波計算是一種很有前景的替代方案。通過採用狹窄的疇壁，我們可以調整自旋波並創造這兩種獨立的狀態，實際上不會產生任何能量損耗。我們只依靠自旋波和固有的磁性材料。」自旋波是波長很短的能量波動。自旋波本質上是由許多電子集體自旋組成，也被稱為「磁振子」。雖然磁振子並不是真正的粒子，但是就像單獨的電子，對於計算應用而言，也可以類似地進行測量。

在他們的研究中，研究人員利用了一個定製的「磁疇壁」，即兩個相鄰的磁結構之間納米尺寸的屏障。他們將鈷/鎳納米膜分層（每個納米膜只有幾個原子的厚度），使之具有特定理想的磁性，從而可以處理大量的自旋波。然後，他們在具有特殊晶格結構的磁性材料中間放置了疇壁，並將這個系統整合到電路中。

在電路的一側，研究人員激發了材料中恆定的自旋波。當波穿過疇壁時，其磁振子立即沿相反方向旋轉：第一個區域的磁振子向北旋轉，而第二個區域的磁振子（越過疇壁）向南旋轉。這會導致波的相位（角度）發生急劇變化，幅度略有下降。在實驗中，研究人員在電路另一側放置了一根獨立天線，用來檢測和傳輸輸出信號。結果表明，在輸出狀態下，輸入波的相位翻轉了180度。波的強度，從最高到最低的峰值測量結果也下降了很多。

然後，研究人員發現了自旋波與疇壁之間的相互作用，使他們能在兩種狀態之間有效切換。沒有疇壁，電路將被均勻磁化；有了疇壁，電路就會產生分裂的調製波。

通過控制自旋波，他們發現可以控制疇壁的位置。這依賴於一種被稱為「自旋轉移矩（spin-transfer torque）」的現象，也就是自旋電子本質上震動磁性材料，來翻轉其磁性方向。在研究人員們的工作中，他們提高了注入自旋波的能量，以誘發磁振子的某種自旋。實際上，這樣會將疇壁拉向增強的波源。這麼做時，天線下的疇壁會被 "卡住 "，從而有效地使其無法調製波以及確保在此狀態下的均勻磁化。

他們使用一種特殊的磁顯微鏡，證明了這種方法會使疇壁上出現微米級的位移，這足以使其向沿著材料塊的任意位置移動。值得注意的是，幾年前就有人提出了磁振子自旋轉移矩的機理，但並沒有得到證實。Luqiao Liu 表示：「有充分的理由相信這最終會發生，而我們的實驗證明了在這些條件下實際將會發生什麼。」

整個電路看上去就像一條自來水管，閥門（疇壁）控制水（自旋波）如何流過管道（材料）。Luqiao Liu 表示：「但是你也可以想像，當水的壓力過高時，它會切斷閥門，並將其推向下遊。如果我們施加足夠強的自旋波，就可以移動疇壁的位置，只不過它是稍微向上遊移動，而不是被推向下遊。"

（責任編輯：fqj）

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