麻省理工学院磁波电路迈向高效自旋电子计算机

磁畴壁电路

麻省理工学院发明的一种电路只使用一个纳米宽的“磁畴壁”来调制自旋波的相位和幅度,这可以实现实际的基于磁的计算——几乎不使用电力。图片由研究人员提供,由麻省理工学院新闻和科技日报编辑

电路设计为“自旋电子”器件提供了一条途径,这种器件使用很少的电,几乎不产生热量。

麻省理工学院研究人员设计了一种新颖的电路设计,可以在不需要电的情况下精确控制电磁波的计算。这一进展向实用的基于磁性的设备迈出了一步,这种设备的计算效率比电子设备高得多。

传统的计算机依靠大量的电力来进行计算和存储数据,并产生大量的废热。为了寻找更有效的替代方案,研究人员已经开始设计基于磁性的“自旋电子”设备,这种设备使用的电能相对较少,而且几乎不产生热量。

自旋电子器件利用晶格结构磁性材料中的“自旋波”——电子的一种量子特性。这种方法包括调制自旋波的特性,以产生一些可测量的输出,并与计算相关。到目前为止,调制自旋波需要使用体积庞大的元件注入电流,这可能会产生信号噪声,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,这种结构只用一纳米宽的磁材料层状纳米膜来调制经过的自旋波,而不需要任何额外的元件或电流。反过来,可以根据需要调整自旋波来控制壁的位置。这提供了对两个变化的自旋波态的精确控制,这两个自旋波态对应于经典计算中使用的1和0。

在未来,对自旋波可以通过双通道输入电路,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——就像光子干涉的用途一样量子计算.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。

“人们开始寻找硅以外的计算技术。波计算是一个很有前途的选择,”电子研究实验室自旋电子材料与器件组首席研究员、电气工程与计算机科学系(EECS)教授刘路桥说。“通过使用这个狭窄的畴壁,我们可以调制自旋波,并创造这两个独立的状态,而不需要任何实际的能量成本。我们只是依靠自旋波和固有磁性材料。”

与刘一起发表论文的还有自旋电子材料与器件组的三名研究生韩家豪、张鹏翔和Justin T. Hou;EECS博士后Saima A. Siddiqui。

翻转马侬姑娘

自旋波是波长较小的能量涟漪。自旋波的大块,本质上是许多电子的集体自旋,被称为磁子。虽然磁子不是真正的粒子,就像单个电子一样,但它们在计算应用中可以被类似地测量。

在他们的工作中,研究人员使用了定制的“磁畴壁”,这是两个相邻的磁结构之间的纳米大小的屏障。他们将钴/镍纳米薄膜分层,每层只有几个原子那么厚,具有某些理想的磁性,可以处理大量的自旋波。然后他们将墙壁放置在一种具有特殊晶格结构的磁性材料的中间,并将该系统集成到一个电路中。

在电路的一边,研究人员在材料中激发恒定的自旋波。当波穿过壁时,它的磁子立即向相反的方向旋转:位于第一个区域的磁子向北旋转,而位于第二个区域(穿过壁)的磁子向南旋转。这导致了波的相位(角度)的剧烈变化和幅度(功率)的轻微下降。

在实验中,研究人员在电路的另一侧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,输入波的相位翻转了180度。海浪的震级——从最高到最低的波峰测量——也大幅下降。

添加一些转矩

然后,研究人员发现了自旋波和畴壁之间的相互作用,使它们能够有效地在两种状态之间切换。没有畴壁,电路将被均匀磁化;有了畴壁,电路就有了分裂的、调制的波。

通过控制自旋波,他们发现可以控制畴壁的位置。这依赖于一种叫做“自旋转移力矩”的现象,即自旋电子本质上是通过震动磁性材料来改变其磁性方向。

在研究人员的工作中,他们提高了注入自旋波的功率,以诱导磁子产生一定的自旋。这实际上是把墙拉向增强的波源。在这样做的过程中,墙壁会被天线卡住——有效地使它无法调制波,并确保在这种状态下的均匀磁化。

利用一种特殊的磁性显微镜,他们证明了这种方法会使壁面产生微米大小的位移,这足以将其放置在材料块的任何位置。值得注意的是,马侬自旋传递力矩的机理在几年前就被提出了,但没有得到证实。“有充分的理由认为这会发生,”刘说。“但我们的实验证明了在这些条件下实际会发生什么。”

刘说,整个线路就像一根水管。阀门(畴壁)控制水(自旋波)如何流经管道(材料)。“但你也可以想象,如果水压太高,阀门就会被切断,然后被推向下游,”刘说。“如果我们应用一个足够强的自旋波,我们可以移动域壁的位置——除了它稍微向上移动,而不是向下移动。”

这些创新可以使实际的基于波的计算用于特定的任务,比如被称为“快速傅里叶变换”的信号处理技术。接下来,研究人员希望构建一个能执行基本计算的工作波电路。除此之外,他们还必须优化材料,减少潜在的信号噪声,并进一步研究通过绕畴壁移动,它们在状态之间切换的速度。“这是我们的下一个任务,”刘说。

1评论麻省理工学院磁波电路迈向高效自旋电子计算机

  1. 令人兴奋的是,这项技术能应用于未来的手机吗?可能会想出一个完全不同的产品,超高的质量!??

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