據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該研究院與麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們展示了一種在計(jì)算機(jī)處理芯片內(nèi)部制造開關(guān)的潛在新方法，使它們能夠消耗更少的能量并散發(fā)更少的熱量。

背景

如今，電子器件基本上都是基于金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體中的電荷流動(dòng)而制成的。電子通過導(dǎo)線或者半導(dǎo)體傳播時(shí)，會(huì)不可避免地發(fā)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(fā)熱引起的能量損耗。目前，基于電荷的傳統(tǒng)晶體管，幾乎已經(jīng)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(dòng)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(xù)旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)造出可用于傳輸或存儲(chǔ)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(fā)作用，會(huì)引起一種稱為“自旋波”的集體運(yùn)動(dòng)，這是一種發(fā)生于磁性材料中的特殊波。

在現(xiàn)代固態(tài)物理中，“自旋”和“磁”這兩個(gè)概念通常密不可分。因此，自旋波的元激發(fā)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(guān)的準(zhǔn)粒子。磁振子并不是像電子一樣的真實(shí)粒子，但是它們表現(xiàn)得像粒子，也可以被當(dāng)成粒子。

自旋波，在傳輸能量時(shí)，無需移動(dòng)任何電子，就像體育場(chǎng)中人們掀起的人浪一樣。這意味著，磁振子的傳播不會(huì)消耗很多能量，也不會(huì)產(chǎn)生很多熱量。磁振子會(huì)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(dòng)。取而代之的是，每個(gè)電子的自旋方向（有點(diǎn)像一個(gè)箭頭穿過旋轉(zhuǎn)陀螺的軸延伸），會(huì)通過磁性影響行中下一個(gè)電子的自旋方向。調(diào)節(jié)第一個(gè)電子的自旋，會(huì)發(fā)出一個(gè)沿著弦傳播的自旋變化波。因?yàn)殡娮颖旧聿粫?huì)移動(dòng)，所以產(chǎn)生的熱量要少得多。

磁振子流可以取代電流（電荷流動(dòng)）作為信息載體，有點(diǎn)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(jì)算提供了可能性，這種計(jì)算為邏輯數(shù)據(jù)處理提供了更多選項(xiàng)。

荷蘭格羅寧根大學(xué)開發(fā)的基于磁振子的自旋晶體管

創(chuàng)新

近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)來控制磁振子。這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種開關(guān)機(jī)制，該機(jī)制可以控制磁振子信號(hào)通過設(shè)備的傳輸。

下面的概念藝術(shù)圖展示了磁振子“開”與“關(guān)”狀態(tài)之間的區(qū)別。激發(fā)頂部電子的磁自旋（紅色箭頭），會(huì)發(fā)出一個(gè)沿著這條鏈向下傳播的自旋變化波，創(chuàng)造出一個(gè)可以在底部讀取的電壓。在左邊，YIG 與 Py 材料（兩個(gè)藍(lán)色的厚層）中的自旋凈方向指向同一方向（藍(lán)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(tài)。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(guān)”狀態(tài)。

技術(shù)

因?yàn)殡娮酉覐囊坏匮由熘亮硪坏兀源耪褡友刂覀鞑r(shí)能夠攜帶信息。在基于磁振子技術(shù)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(guī)數(shù)字開關(guān)更強(qiáng)大的功能。

盡管這些優(yōu)點(diǎn)使基于磁振子的信息處理從理論上來說成為一個(gè)誘人的想法，但是到目前為止，大多數(shù)成功的結(jié)構(gòu)都是在位于釓鎵石榴石基底之上，而不是制造商業(yè)芯片的硅基底之上的多層薄膜中構(gòu)建的。批量生產(chǎn)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(xué)家、團(tuán)隊(duì)成員 Patrick Quarterman表示：“這是一個(gè)物理學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，它展示了基本原理。但是，對(duì)于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)來說，這是不切實(shí)際的。”

然而，麻省理工學(xué)院的 Yabin Fan 及其同事使用了一種創(chuàng)新的工程方法，將薄膜層疊在硅基底上。他們的目標(biāo)是在計(jì)算機(jī)行業(yè)長期慣用的材料上構(gòu)建他們的系統(tǒng)，從而使磁振子能與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行交互。

起初，他們創(chuàng)建的多層表現(xiàn)得并不像預(yù)期的那樣，但是 NCNR 科學(xué)家使用了一項(xiàng)稱為“中子反射法”的技術(shù)來探索設(shè)備內(nèi)的磁行為。中子揭示了兩個(gè)薄膜層之間意外但有利的相互作用：根據(jù)施加的磁場(chǎng)量，材料以不同的方式對(duì)自身進(jìn)行排序，這些方式代表開關(guān)的“開”或“關(guān)”狀態(tài)，以及在開和關(guān)之間的位置，使其類似于閥門。

麻省理工學(xué)院電氣工程系博士后研究員 Fan 說：“隨著你降低磁場(chǎng)，方向就會(huì)切換。數(shù)據(jù)非常清晰，并且向我們展示了在不同深度發(fā)生的情況。各層之間存在著非常強(qiáng)的耦合。”

價(jià)值

盡管其他實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)創(chuàng)造了攜帶和控制磁振子的系統(tǒng)，但是該團(tuán)隊(duì)的方案帶來了重要的首創(chuàng)：系統(tǒng)的元件可以在硅上面構(gòu)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(yùn)行，不需要冷藏。由于這些以及其他原因，計(jì)算機(jī)制造商可能更樂意采用這種新方法。

Quarterman 表示：“這一基礎(chǔ)要素將為新一代高效計(jì)算機(jī)技術(shù)的鋪平道路。其他組織已經(jīng)創(chuàng)建并控制了與計(jì)算機(jī)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(duì)于工業(yè)界來說更加可行。”

該磁振子開關(guān)也會(huì)在做其他類型計(jì)算的設(shè)備上應(yīng)用。常規(guī)數(shù)字開關(guān)只能在開或關(guān)的狀態(tài)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(yīng)用于模擬計(jì)算（在模擬計(jì)算中，開關(guān)的值介于0和1之間。

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