麻省理工学院的研究人员设计了一种新型的电路,可以在不用电量的情况下,利用电磁波对计算机进行精确控制。这一进步向实用的基于磁性的设备迈出了一步,这些设备有潜力比电子设备更有效地进行计算。

经典的计算机依靠大量的电能进行计算和数据存储,并产生大量的废热。为了寻找更有效的替代品,研究人员已经开始设计基于磁性的“自旋电子”装置,这种装置耗电相对较少,几乎不产生热量。

自旋电子器件利用了磁材料中晶格结构的“自旋波”——电子的量子性质。这种方法包括调制自旋波特性,以产生一些可测量的输出,并与计算相关。到目前为止,调制自旋波需要注入电流,使用大体积的元件会产生信号噪声,并有效地抵消任何固有的性能增益。

麻省理工学院的研究人员开发了一种电路结构,这种结构只使用一层磁性材料的纳米膜中的一个纳米宽度的域壁来调制通过的自旋波,没有任何额外的组件或电流。反过来,自旋波可以根据需要调节来控制墙的位置。这提供了对两种变化的自旋波状态的精确控制,它们对应于经典计算中使用的1和0。

未来,自旋波对可以通过双通道输入到电路中,根据不同的特性进行调制,并结合起来产生一些可测量的量子干涉——类似于光子波干涉被用于量子计算。研究人员假设,这种基于干涉的自旋电子设备,比如量子计算机,可以执行传统计算机难以完成的高度复杂的任务。

“人们开始在硅之外寻找计算能力。电子工程与计算机科学系(EECS)教授、电子学研究实验室自旋电子材料与器件组首席研究员刘路桥说。“通过使用这个狭窄的域壁,我们可以调节自旋波并创建这两个独立的状态,而不需要任何实际的能源成本。我们只是依靠自旋波和固有磁性材料。”

和刘一起发表论文的有来自自旋电子材料与器件组的三名研究生韩家豪、张鹏翔和贾斯汀·t·侯;和EECS博士后Saima A. Siddiqui。

翻转马侬姑娘

自旋波是波长很小的能量波。自旋波的大块,本质上是许多电子的集体自旋,被称为磁子。虽然马格纳斯并不是真正的粒子,就像单独的电子一样,但它们可以在计算应用中被类似地测量。

在他们的工作中,研究人员利用了一个定制的“磁畴壁”,这是两个相邻的磁性结构之间的纳米大小的屏障。他们将钴/镍纳米膜分层——每个纳米膜只有几个原子那么厚——并具有某些理想的磁性,可以处理大量的自旋波。然后他们把墙放在一种特殊晶格结构的磁性材料的中间,并把这个系统合并成一个电路。

在电路的一边,研究人员在材料中激发恒定的自旋波。当波穿过墙时,它的马格纳斯立即朝相反的方向旋转:第一区域的马格纳斯向北旋转,而第二区域的马格纳斯——穿过墙——向南旋转。这导致了波的相位(角度)的急剧变化和幅度(功率)的轻微下降。

在实验中,研究人员在电路的另一端放置了一个独立的天线,用来检测和传输输出信号。结果表明,在输出状态下,输入波的相位发生180度翻转。波的强度——从最高到最低的峰值——也下降了很多。

添加一些转矩

然后,研究人员发现自旋波和畴壁之间的相互作用,使他们能够有效地切换两种状态。没有畴壁,电路将被均匀磁化;与域壁,电路有一个分裂,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“自旋传递扭矩”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。

在研究人员的工作中,他们提高了注入的自旋波的能量,以诱导磁magnons产生一定的自旋。这实际上是把墙拉向增强的波源。在这样做的时候,天线下的壁被卡住了——有效地使它不能调制波并确保在这种状态下的均匀磁化。

他们使用一种特殊的磁性显微镜,证明了这种方法可以使壁发生微米级的位移,这足以使它沿着材料块的任何位置移动。值得注意的是,几年前有人提出了磁振子自旋传递转矩的机理,但没有得到证明。“有充分的理由相信这将会发生,”刘说。“但我们的实验证明了在这种情况下会发生什么。”

整个电路就像一个水管,刘说。阀门(域壁)控制水(自旋波)如何流经管道(材料)。刘说:“但是你也可以想象,当水的压力如此之高时,它会切断阀门,把它推到下游。”“如果我们施加足够强的自旋波,我们可以移动畴壁的位置——除了它稍微向上游移动,而不是向下游。”

这样的创新可以为特定的任务提供实用的基于波的计算,比如被称为“快速傅里叶变换”的信号处理技术。接下来,研究人员希望建立一个可以进行基本计算的工作波电路。除此之外,他们还必须优化材料,降低潜在的信号噪声,并进一步研究通过在畴壁周围移动来切换状态的速度。“这是我们接下来要做的事情,”刘说。

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