美国开发出室温“磁振子开关”,可控制磁振子信号通过设备传输

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）与麻省理工学院（MIT）的科学家团队展示了一种在计算机处理芯片内部制造开关的潜在新方法，开发出一项实用的技术来控制磁振子，使它们能够消耗更少的能量并散发更少的热量。这项技术设计了一种开关机制，该机制可以控制磁振子信号通过设备的传输。

下面的概念艺术图展示了磁振子“开”与“关”状态之间的区别。激发顶部电子的磁自旋（红色箭头），会发出一个沿着这条链向下传播的自旋变化波，创造出一个可以在底部读取的电压。在左边，YIG 与 Py 材料（两个蓝色的厚层）中的自旋净方向指向同一方向（蓝色大箭头），而且沿着电子链传播的波保持大振幅，代表“开”状态。在右边，YIG 与 Py 材料中的净自旋指向相反的方向，在 YIG 中的波的振幅减小，代表“关”状态。

（图片来源：N.Hanacek/NIST）

如今，电子器件基本上都是基于金属导体或者半导体中的电荷流动而制成的。电子通过导线或者半导体传播时，会不可避免地发热，引起能量损耗。电子器件与芯片变得越来越小，其中的晶体管密度越来越高，加剧了由发热引起的能量损耗。目前，基于电荷的传统晶体管，几乎已经逼近其物理极限，尺寸无法再缩小。

然而，除了电荷这一特性，电子还有另一种与生俱来的量子物理特性：“自旋”。它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋着的微小粒子，如同围绕着自己的轴持续旋转，创造出可用于传输或存储信息的磁矩。

（图片来源：Sumio Ishihara）

在序磁性（铁磁、亚铁磁、反铁磁）体中相互作用的自旋体系，由于各种激发作用，会引起一种称为“自旋波”的集体运动，这是一种发生于磁性材料中的特殊波。

（图片来源：HZDR / Juniks）

在现代固态物理中，“自旋”和“磁”这两个概念通常密不可分。因此，自旋波的元激发又称为“磁振子（magnon）”，它是指在特定磁性材料中与磁波或者自旋波相关的准粒子。磁振子并不是像电子一样的真实粒子，但是它们表现得像粒子，也可以被当成粒子。

自旋波，在传输能量时，无需移动任何电子，就像体育场中人们掀起的人浪一样。这意味着，磁振子的传播不会消耗很多能量，也不会产生很多热量。磁振子会穿过一长串电子（如同一条弦，或者说像一条链），这些电子本身并不移动。取而代之的是，每个电子的自旋方向(有点像一个箭头穿过旋转陀螺的轴延伸)，会通过磁性影响行中下一个电子的自旋方向。调节第一个电子的自旋，会发出一个沿着弦传播的自旋变化波。因为电子本身不会移动，所以产生的热量要少得多。

磁振子流可以取代电流（电荷流动）作为信息载体，有点类似声波沿着磁性材料传播。此外，磁振子也为基于自旋波的计算提供了可能性，这种计算为逻辑数据处理提供了更多选项。

荷兰格罗宁根大学开发的基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen)

因为电子弦从一地延伸至另一地，所以磁振子沿着弦传播时能够携带信息。在基于磁振子技术的芯片中，较大与较小的波高（振幅)可以代表1和0。而且由于波高可以逐渐变化，所以磁振子可以代表介于1和0之间的值，使其具有比常规数字开关更强大的功能。

尽管这些优点使基于磁振子的信息处理从理论上来说成为一个诱人的想法，但是到目前为止，大多数成功的结构都是在位于钆镓石榴石基底之上，而不是制造商业芯片的硅基底之上的多层薄膜中构建的。批量生产这种“GGG”材料的成本将高得令人望而却步。

NIST 中子研究中心（NCNR）物理学家、团队成员 Patrick Quarterman表示：“这是一个物理学运动场，它展示了基本原理。但是，对于工业规模的生产来说，这是不切实际的。”

然而，麻省理工学院的 Yabin Fan 及其同事使用了一种创新的工程方法，将薄膜层叠在硅基底上。他们的目标是在计算机行业长期惯用的材料上构建他们的系统，从而使磁振子能与传统计算机技术进行交互。

起初，他们创建的多层表现得并不像预期的那样，但是 NCNR 科学家使用了一项称为“中子反射法”的技术来探索设备内的磁行为。中子揭示了两个薄膜层之间意外但有利的相互作用：根据施加的磁场量，材料以不同的方式对自身进行排序，这些方式代表开关的“开”或“关”状态，以及在开和关之间的位置，使其类似于阀门。

麻省理工学院电气工程系博士后研究员 Fan 说：“随着你降低磁场，方向就会切换。数据非常清晰，并且向我们展示了在不同深度发生的情况。各层之间存在着非常强的耦合。”

尽管其他实验室已经创造了携带和控制磁振子的系统，但是该团队的方案带来了重要的首创：系统的元件可以在硅上面构造，而不是像其他方法要求特异且昂贵的基底。它也能在室温下高效运行，不需要冷藏。由于这些以及其他原因，计算机制造商可能更乐意采用这种新方法。

Quarterman 表示：“这一基础要素将为新一代高效计算机技术的铺平道路。其他组织已经创建并控制了与计算机芯片集成度不高的材料中的磁振子，而我们的磁振子建立在硅上面。这对于工业界来说更加可行。”

该磁振子开关也会在做其他类型计算的设备上应用。常规数字开关只能在开或关的状态下存在，但是由于自旋波的振幅可以从小到大逐渐变化，因此磁振子可以应用于模拟计算（在模拟计算中，开关的值介于0和1之间。