（文章來(lái)源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員設(shè)計(jì)出一款新型電路，它能在不耗電的情況下，利用電磁波對(duì)計(jì)算進(jìn)行精準(zhǔn)控制。這一進(jìn)展朝著基于磁性的實(shí)用性器件邁出了關(guān)鍵一步，這種器件將比傳統(tǒng)電子器件具有更為高效的計(jì)算潛力。經(jīng)典的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，都需要耗費(fèi)大量的電力，并產(chǎn)生大量的廢熱。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器就消耗了全球2%~5%的電力，并產(chǎn)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(shè)計(jì)基于磁性的“自旋電子”器件。這種器件使用相對(duì)較少的電力，并且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱量。自旋電子器件利用了具有晶格結(jié)構(gòu)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(diào)整自旋波特性，生成某些可測(cè)量的輸出，而這些輸出與計(jì)算相關(guān)。到目前為止，調(diào)整自旋波需要采用笨重的部件來(lái)注入電流。這些部件會(huì)引起信號(hào)噪聲，并有效地抹殺任何固有的性能增益。

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種電路架構(gòu)，它采用了處于磁性材料層狀納米膜中僅一納米寬的疇壁，來(lái)調(diào)整通過(guò)的自旋波，而無(wú)需任何額外的組件或者電流。反過(guò)來(lái)，自旋波可根據(jù)需要調(diào)整以控制疇壁的位置。這樣就可以精準(zhǔn)控制兩種變化中的自旋波狀態(tài)，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中使用的0和1。

未來(lái)，成對(duì)的自旋波可通過(guò)雙通道饋送到電路中，根據(jù)不同的特性進(jìn)行調(diào)制，并結(jié)合起來(lái)生成某些可測(cè)量的量子干涉，類似于量子計(jì)算所用的光子波干涉。研究人員假設(shè)，這種基于干涉的自旋電子器件，像量子計(jì)算機(jī)一樣，可以執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以應(yīng)付的高度復(fù)雜的任務(wù)。

Luqiao Liu 表示：“人們開始尋找超越硅的計(jì)算方式。波計(jì)算是一種很有前景的替代方案。通過(guò)采用狹窄的疇壁，我們可以調(diào)整自旋波并創(chuàng)造這兩種獨(dú)立的狀態(tài)，實(shí)際上不會(huì)產(chǎn)生任何能量損耗。我們只依靠自旋波和固有的磁性材料?！弊孕ㄊ遣ㄩL(zhǎng)很短的能量波動(dòng)。自旋波本質(zhì)上是由許多電子集體自旋組成，也被稱為“磁振子”。雖然磁振子并不是真正的粒子，但是就像單獨(dú)的電子，對(duì)于計(jì)算應(yīng)用而言，也可以類似地進(jìn)行測(cè)量。

在他們的研究中，研究人員利用了一個(gè)定制的“磁疇壁”，即兩個(gè)相鄰的磁結(jié)構(gòu)之間納米尺寸的屏障。他們將鈷/鎳納米膜分層（每個(gè)納米膜只有幾個(gè)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。然后，他們?cè)诰哂刑厥饩Ц窠Y(jié)構(gòu)的磁性材料中間放置了疇壁，并將這個(gè)系統(tǒng)整合到電路中。

在電路的一側(cè)，研究人員激發(fā)了材料中恒定的自旋波。當(dāng)波穿過(guò)疇壁時(shí)，其磁振子立即沿相反方向旋轉(zhuǎn)：第一個(gè)區(qū)域的磁振子向北旋轉(zhuǎn)，而第二個(gè)區(qū)域的磁振子（越過(guò)疇壁）向南旋轉(zhuǎn)。這會(huì)導(dǎo)致波的相位（角度）發(fā)生急劇變化，幅度略有下降。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在電路另一側(cè)放置了一根獨(dú)立天線，用來(lái)檢測(cè)和傳輸輸出信號(hào)。結(jié)果表明，在輸出狀態(tài)下，輸入波的相位翻轉(zhuǎn)了180度。波的強(qiáng)度，從最高到最低的峰值測(cè)量結(jié)果也下降了很多。

然后，研究人員發(fā)現(xiàn)了自旋波與疇壁之間的相互作用，使他們能在兩種狀態(tài)之間有效切換。沒(méi)有疇壁，電路將被均勻磁化；有了疇壁，電路就會(huì)產(chǎn)生分裂的調(diào)制波。

通過(guò)控制自旋波，他們發(fā)現(xiàn)可以控制疇壁的位置。這依賴于一種被稱為“自旋轉(zhuǎn)移矩（spin-transfer torque）”的現(xiàn)象，也就是自旋電子本質(zhì)上震動(dòng)磁性材料，來(lái)翻轉(zhuǎn)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(fā)磁振子的某種自旋。實(shí)際上，這樣會(huì)將疇壁拉向增強(qiáng)的波源。這么做時(shí)，天線下的疇壁會(huì)被 "卡住 "，從而有效地使其無(wú)法調(diào)制波以及確保在此狀態(tài)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(huì)使疇壁上出現(xiàn)微米級(jí)的位移，這足以使其向沿著材料塊的任意位置移動(dòng)。值得注意的是，幾年前就有人提出了磁振子自旋轉(zhuǎn)移矩的機(jī)理，但并沒(méi)有得到證實(shí)。Luqiao Liu 表示：“有充分的理由相信這最終會(huì)發(fā)生，而我們的實(shí)驗(yàn)證明了在這些條件下實(shí)際將會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

整個(gè)電路看上去就像一條自來(lái)水管，閥門（疇壁）控制水（自旋波）如何流過(guò)管道（材料）。Luqiao Liu 表示：“但是你也可以想象，當(dāng)水的壓力過(guò)高時(shí)，它會(huì)切斷閥門，并將其推向下游。如果我們施加足夠強(qiáng)的自旋波，就可以移動(dòng)疇壁的位置，只不過(guò)它是稍微向上游移動(dòng)，而不是被推向下游。"

（責(zé)任編輯：fqj）