新型自旋电子器件用电磁波进行计算，结果如何

（文章来源：环球创新智慧）

据美国麻省理工学院官网近日报道，该校研究人员设计出一款新型电路，它能在不耗电的情况下，利用电磁波对计算进行精准控制。这一进展朝着基于磁性的实用性器件迈出了关键一步，这种器件将比传统电子器件具有更为高效的计算潜力。经典的计算机进行计算与存储数据时，都需要耗费大量的电力，并产生大量的废热。数据中心的服务器就消耗了全球2%~5%的电力，并产生出许多热量，而这些热量需要更多的电力去冷却。

为了寻找更加高效的替代方案，研究人员们开始设计基于磁性的“自旋电子”器件。这种器件使用相对较少的电力，并且几乎不产生热量。自旋电子器件利用了具有晶格结构的磁性材料中的“自旋波”（电子的一种量子特性）。这种方案涉及调整自旋波特性，生成某些可测量的输出，而这些输出与计算相关。到目前为止，调整自旋波需要采用笨重的部件来注入电流。这些部件会引起信号噪声，并有效地抹杀任何固有的性能增益。

近日，美国麻省理工学院的研究人员开发出一种电路架构，它采用了处于磁性材料层状纳米膜中仅一纳米宽的畴壁，来调整通过的自旋波，而无需任何额外的组件或者电流。反过来，自旋波可根据需要调整以控制畴壁的位置。这样就可以精准控制两种变化中的自旋波状态，这两种状态对应于经典计算机中使用的0和1。

未来，成对的自旋波可通过双通道馈送到电路中，根据不同的特性进行调制，并结合起来生成某些可测量的量子干涉，类似于量子计算所用的光子波干涉。研究人员假设，这种基于干涉的自旋电子器件，像量子计算机一样，可以执行传统计算机难以应付的高度复杂的任务。

Luqiao Liu 表示：“人们开始寻找超越硅的计算方式。波计算是一种很有前景的替代方案。通过采用狭窄的畴壁，我们可以调整自旋波并创造这两种独立的状态，实际上不会产生任何能量损耗。我们只依靠自旋波和固有的磁性材料。”自旋波是波长很短的能量波动。自旋波本质上是由许多电子集体自旋组成，也被称为“磁振子”。虽然磁振子并不是真正的粒子，但是就像单独的电子，对于计算应用而言，也可以类似地进行测量。

在他们的研究中，研究人员利用了一个定制的“磁畴壁”，即两个相邻的磁结构之间纳米尺寸的屏障。他们将钴/镍纳米膜分层（每个纳米膜只有几个原子的厚度），使之具有特定理想的磁性，从而可以处理大量的自旋波。然后，他们在具有特殊晶格结构的磁性材料中间放置了畴壁，并将这个系统整合到电路中。

在电路的一侧，研究人员激发了材料中恒定的自旋波。当波穿过畴壁时，其磁振子立即沿相反方向旋转：第一个区域的磁振子向北旋转，而第二个区域的磁振子（越过畴壁）向南旋转。这会导致波的相位（角度）发生急剧变化，幅度略有下降。在实验中，研究人员在电路另一侧放置了一根独立天线，用来检测和传输输出信号。结果表明，在输出状态下，输入波的相位翻转了180度。波的强度，从最高到最低的峰值测量结果也下降了很多。

然后，研究人员发现了自旋波与畴壁之间的相互作用，使他们能在两种状态之间有效切换。没有畴壁，电路将被均匀磁化；有了畴壁，电路就会产生分裂的调制波。

通过控制自旋波，他们发现可以控制畴壁的位置。这依赖于一种被称为“自旋转移矩（spin-transfer torque）”的现象，也就是自旋电子本质上震动磁性材料，来翻转其磁性方向。在研究人员们的工作中，他们提高了注入自旋波的能量，以诱发磁振子的某种自旋。实际上，这样会将畴壁拉向增强的波源。这么做时，天线下的畴壁会被 "卡住 "，从而有效地使其无法调制波以及确保在此状态下的均匀磁化。

他们使用一种特殊的磁显微镜，证明了这种方法会使畴壁上出现微米级的位移，这足以使其向沿着材料块的任意位置移动。值得注意的是，几年前就有人提出了磁振子自旋转移矩的机理，但并没有得到证实。Luqiao Liu 表示：“有充分的理由相信这最终会发生，而我们的实验证明了在这些条件下实际将会发生什么。”

整个电路看上去就像一条自来水管，阀门（畴壁）控制水（自旋波）如何流过管道（材料）。Luqiao Liu 表示：“但是你也可以想象，当水的压力过高时，它会切断阀门，并将其推向下游。如果我们施加足够强的自旋波，就可以移动畴壁的位置，只不过它是稍微向上游移动，而不是被推向下游。"

（责任编辑：fqj）