據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）官網(wǎng)近日報道，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算機處理芯片內(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)體中的電荷流動而制成的。電子通過導(dǎo)線或者半導(dǎo)體傳播時，會不可避免地發(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，會引起一種稱為“自旋波”的集體運動，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，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(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)第一個電子的自旋，會發(fā)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(chǎn)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(shù)據(jù)處理提供了更多選項。

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)家團隊開發(fā)出一項實用的技術(shù)來控制磁振子。這項技術(shù)設(shè)計了一種開關(guān)機制，該機制可以控制磁振子信號通過設(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），會發(fā)出一個沿著這條鏈向下傳播的自旋變化波，創(chuàng)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(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(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)更強大的功能。

盡管這些優(yōu)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(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、團隊成員 Patrick Quarterman表示：“這是一個物理學(xué)運動場，它展示了基本原理。但是，對于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)來說，這是不切實際的?！?/p>

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)是在計算機行業(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)計算機技術(shù)進行交互。

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。中子揭示了兩個薄膜層之間意外但有利的相互作用：根據(jù)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(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，方向就會切換。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的耦合。”

價值

盡管其他實驗室已經(jīng)創(chuàng)造了攜帶和控制磁振子的系統(tǒng)，但是該團隊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(chǔ)要素將為新一代高效計算機技術(shù)的鋪平道路。其他組織已經(jīng)創(chuàng)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(yè)界來說更加可行。”

該磁振子開關(guān)也會在做其他類型計算的設(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)用于模擬計算（在模擬計算中，開關(guān)的值介于0和1之間。

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