（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

據(jù)美國麻省理工學(xué)院官網(wǎng)近日報道，該校研究人員設(shè)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(jìn)行精準(zhǔn)控制。這一進(jìn)展朝著基于磁性的實用性器件邁出了關(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算潛力。經(jīng)典的計算機(jī)進(jìn)行計算與存儲數(shù)據(jù)時，都需要耗費大量的電力，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)計基于磁性的“自旋電子”器件。這種器件使用相對較少的電力，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，生成某些可測量的輸出，而這些輸出與計算相關(guān)。到目前為止，調(diào)整自旋波需要采用笨重的部件來注入電流。這些部件會引起信號噪聲，并有效地抹殺任何固有的性能增益。

近日，美國麻省理工學(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，來調(diào)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(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)對應(yīng)于經(jīng)典計算機(jī)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(jù)不同的特性進(jìn)行調(diào)制，并結(jié)合起來生成某些可測量的量子干涉，類似于量子計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，像量子計算機(jī)一樣，可以執(zhí)行傳統(tǒng)計算機(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算方式。波計算是一種很有前景的替代方案。通過采用狹窄的疇壁，我們可以調(diào)整自旋波并創(chuàng)造這兩種獨立的狀態(tài)，實際上不會產(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很短的能量波動。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，但是就像單獨的電子，對于計算應(yīng)用而言，也可以類似地進(jìn)行測量。

在他們的研究中，研究人員利用了一個定制的“磁疇壁”，即兩個相鄰的磁結(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。然后，他們在具有特殊晶格結(jié)構(gòu)的磁性材料中間放置了疇壁，并將這個系統(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)波穿過疇壁時，其磁振子立即沿相反方向旋轉(zhuǎn)：第一個區(qū)域的磁振子向北旋轉(zhuǎn)，而第二個區(qū)域的磁振子（越過疇壁）向南旋轉(zhuǎn)。這會導(dǎo)致波的相位（角度）發(fā)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(cè)放置了一根獨立天線，用來檢測和傳輸輸出信號。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。沒有疇壁，電路將被均勻磁化；有了疇壁，電路就會產(chǎn)生分裂的調(diào)制波。

通過控制自旋波，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)上震動磁性材料，來翻轉(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。實際上，這樣會將疇壁拉向增強(qiáng)的波源。這么做時，天線下的疇壁會被 "卡住 "，從而有效地使其無法調(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，證明了這種方法會使疇壁上出現(xiàn)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(zhuǎn)移矩的機(jī)理，但并沒有得到證實。Luqiao Liu 表示：“有充分的理由相信這最終會發(fā)生，而我們的實驗證明了在這些條件下實際將會發(fā)生什么?！?/p>

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：“但是你也可以想象，當(dāng)水的壓力過高時，它會切斷閥門，并將其推向下游。如果我們施加足夠強(qiáng)的自旋波，就可以移動疇壁的位置，只不過它是稍微向上游移動，而不是被推向下游。"

（責(zé)任編輯：fqj）