據美國國家標準與技術研究院（NIST）官網近日報道，該研究院與麻省理工學院（MIT）的科學家們展示了一種在計算機處理芯片內部制造開關的潛在新方法，使它們能夠消耗更少的能量并散發更少的熱量。

背景

如今，電子器件基本上都是基于金屬導體或者半導體中的電荷流動而制成的。電子通過導線或者半導體傳播時，會不可避免地發熱，引起能量損耗。電子器件與芯片變得越來越小，其中的晶體管密度越來越高，加劇了由發熱引起的能量損耗。目前，基于電荷的傳統晶體管，幾乎已經逼近其物理極限，尺寸無法再縮小。

然而，除了電荷這一特性，電子還有另一種與生俱來的量子物理特性：“自旋”。它可以被理解為一種角動量，要么“向上”，要么“向下”。自旋著的微小粒子，如同圍繞著自己的軸持續旋轉，創造出可用于傳輸或存儲信息的磁矩。

在序磁性（鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁）體中相互作用的自旋體系，由于各種激發作用，會引起一種稱為“自旋波”的集體運動，這是一種發生于磁性材料中的特殊波。

在現代固態物理中，“自旋”和“磁”這兩個概念通常密不可分。因此，自旋波的元激發又稱為“磁振子（magnon）”，它是指在特定磁性材料中與磁波或者自旋波相關的準粒子。磁振子并不是像電子一樣的真實粒子，但是它們表現得像粒子，也可以被當成粒子。

自旋波，在傳輸能量時，無需移動任何電子，就像體育場中人們掀起的人浪一樣。這意味著，磁振子的傳播不會消耗很多能量，也不會產生很多熱量。磁振子會穿過一長串電子（如同一條弦，或者說像一條鏈），這些電子本身并不移動。取而代之的是，每個電子的自旋方向（有點像一個箭頭穿過旋轉陀螺的軸延伸），會通過磁性影響行中下一個電子的自旋方向。調節第一個電子的自旋，會發出一個沿著弦傳播的自旋變化波。因為電子本身不會移動，所以產生的熱量要少得多。

磁振子流可以取代電流（電荷流動）作為信息載體，有點類似聲波沿著磁性材料傳播。此外，磁振子也為基于自旋波的計算提供了可能性，這種計算為邏輯數據處理提供了更多選項。

荷蘭格羅寧根大學開發的基于磁振子的自旋晶體管

創新

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）與麻省理工學院（MIT）的科學家團隊開發出一項實用的技術來控制磁振子。這項技術設計了一種開關機制，該機制可以控制磁振子信號通過設備的傳輸。

下面的概念藝術圖展示了磁振子“開”與“關”狀態之間的區別。激發頂部電子的磁自旋（紅色箭頭），會發出一個沿著這條鏈向下傳播的自旋變化波，創造出一個可以在底部讀取的電壓。在左邊，YIG 與 Py 材料（兩個藍色的厚層）中的自旋凈方向指向同一方向（藍色大箭頭），而且沿著電子鏈傳播的波保持大振幅，代表“開”狀態。在右邊，YIG 與 Py 材料中的凈自旋指向相反的方向，在 YIG 中的波的振幅減小，代表“關”狀態。

技術

因為電子弦從一地延伸至另一地，所以磁振子沿著弦傳播時能夠攜帶信息。在基于磁振子技術的芯片中，較大與較小的波高（振幅）可以代表1和0。而且由于波高可以逐漸變化，所以磁振子可以代表介于1和0之間的值，使其具有比常規數字開關更強大的功能。

盡管這些優點使基于磁振子的信息處理從理論上來說成為一個誘人的想法，但是到目前為止，大多數成功的結構都是在位于釓鎵石榴石基底之上，而不是制造商業芯片的硅基底之上的多層薄膜中構建的。批量生產這種“GGG”材料的成本將高得令人望而卻步。

NIST 中子研究中心（NCNR）物理學家、團隊成員 Patrick Quarterman表示：“這是一個物理學運動場，它展示了基本原理。但是，對于工業規模的生產來說，這是不切實際的。”

然而，麻省理工學院的 Yabin Fan 及其同事使用了一種創新的工程方法，將薄膜層疊在硅基底上。他們的目標是在計算機行業長期慣用的材料上構建他們的系統，從而使磁振子能與傳統計算機技術進行交互。

起初，他們創建的多層表現得并不像預期的那樣，但是 NCNR 科學家使用了一項稱為“中子反射法”的技術來探索設備內的磁行為。中子揭示了兩個薄膜層之間意外但有利的相互作用：根據施加的磁場量，材料以不同的方式對自身進行排序，這些方式代表開關的“開”或“關”狀態，以及在開和關之間的位置，使其類似于閥門。

麻省理工學院電氣工程系博士后研究員 Fan 說：“隨著你降低磁場，方向就會切換。數據非常清晰，并且向我們展示了在不同深度發生的情況。各層之間存在著非常強的耦合。”

價值

盡管其他實驗室已經創造了攜帶和控制磁振子的系統，但是該團隊的方案帶來了重要的首創：系統的元件可以在硅上面構造，而不是像其他方法要求特異且昂貴的基底。它也能在室溫下高效運行，不需要冷藏。由于這些以及其他原因，計算機制造商可能更樂意采用這種新方法。

Quarterman 表示：“這一基礎要素將為新一代高效計算機技術的鋪平道路。其他組織已經創建并控制了與計算機芯片集成度不高的材料中的磁振子，而我們的磁振子建立在硅上面。這對于工業界來說更加可行。”

該磁振子開關也會在做其他類型計算的設備上應用。常規數字開關只能在開或關的狀態下存在，但是由于自旋波的振幅可以從小到大逐漸變化，因此磁振子可以應用于模擬計算（在模擬計算中，開關的值介于0和1之間。

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