无需电力:基于磁的自旋电子计算机可以匹敌量

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  • 2019-12-04

  时时彩app原标题:无需电力:基于磁的自旋电子计算机可以匹敌量子计算机的原始计算能力

  麻省理工学院(MIT)的研究人员近日开发出了一种创新的新电路,无需电力即可执行精确计算。这种新颖设计改而依赖磁波,这个技术进步向磁设备迈出了重大的一步,相关论文发表在《科学》杂志上。

  这种设备被称为“自旋电子设备”(spintronics),有望比电子设备更强大、更高效。

  依靠耗费大量电力的经典计算机会生成大量的废热。与此相反,自旋电子设备的耗电量很少,生成的废热少得多,实际上几乎没有。

  MIT发明的电路仅使用纳米级宽度的“磁畴壁”(magnetic domain wall)来调制自旋波的相位和幅度,这可以实现基于磁的实用计算,△▪️▲□△却几乎不耗电。

  自旋电子设备使用了格状排列的磁材料中名为自旋波的量子能级上电子的一种特殊性质。这种方法涉及利用该自旋波的调制来生成与计算相关的可测量输出。口▲=○▼

  电气工程和计算机科学系(EECS)教授、电子研究实验室的自旋电子材料和器件部门首席调研员Luqiao Liu说:“人们开始寻求硅片之外的计算。自旋波计算是一种大有前途的替代技术。▲●”

  MIT团队取得的重大突破是开发出了这样一种电路架构:从此不需要用于注入电流的庞大部件,这是一大优点。因为此类部件会引起信号噪声,从而降低性能。

  该团队在多层磁性材料薄膜中形成了一道纳米级宽度的磁畴壁以调制通过的自旋波,无需任何额外的部件或电流,因而摈弃了此类部件。反过来,可以根据需要调整自旋波以控制该磁畴的位置和宽度,从而精确控制两个变化的自旋波状态。这些自旋状态对应于经典计算中使用的1和0。

  将来,成对的自旋波可以通过双通道馈入电路。可以对成对自旋波的每个成员进行调制以实现不同的特性——组合起来可形成可测量的量子干扰。◆▼这类似在量子计算中使用光子波干扰。

  Liu继续说:“通过使用这条狭窄的畴壁,我们可以调制自旋波,并生成这两个不同的状态,无需任何实际的能源成本。我们完全依赖自旋波和内在的磁材料。”

  正因为如此,研究人员表示,从理论上来讲,这种基于自旋电子的设备依赖干扰,可以在原始计算能力方面与量子计算机相媲美,执行常规计算机难以处理的复杂任务。

  自旋波是波长很短的能量波,众多电子的集体自旋名为磁振子(magnon)。虽然这些磁振子不是真正的粒子,但可以用类似于测量计算应用中使用的电子的方式来测量它们。

  研究团队为钴/镍纳米膜(每层膜的厚度仅几个原子)赋予了某些所需的磁特性,以便处理大量的自旋波。然后将这堵墙放置在采用特殊晶格结构的磁材料中间,最后将这个系统集成到电路中。▼▼▽●▽●

  在电路的一侧,研究人员激发了材料中恒定的自旋波。该波穿过这堵墙时,▲●…△其磁振子立即沿相反的方向旋转,☆△◆▲■从第一个区域的向北翻转为第二个区域的向南。这种翻转导致波的相位(即方向角)发生剧烈变化,并导致幅度(功耗)稍有下降。

  研究人员在实验中将一条单独的天线放置在电路的另一侧,以检测并传输输出信号。

  他们的结果表明,在输出状态下,输入波的相位翻转了180度。波的幅度也大幅降低。

  研究团队还发现了自旋波与磁畴壁之间的一种相互作用。这种相互作用使他们能够在两种状态之间有效切换。没有畴壁,电路将被均匀地磁化。但有了畴壁,电路会有分裂的调制波。

  通过控制自旋波,MIT的研究人员发现他们能够控制畴壁的位置。这个方法依赖这种现象:旋转电子实际上“摇动”磁材料以便翻转磁方向,这又叫“自旋转移矩”。▪️•★

  研究团队增强了注入的自旋波的能量,以便在磁振子中引发特定的自旋——将畴壁拉向增强后的波源。这么做导致畴壁陷在天线下面,实际上无法调制波、确保在此状态下的均匀磁化。

  研究团队使用一种特殊的磁性显微镜,▲★-●得以确定这个过程导致畴壁出现数微米的偏移,刚好足以将畴壁放在材料块上的任何位置。

  Liu特别指出,几年前有人提出了磁振子自旋转移矩的机制,但并未加以演示。该研究人员补充道:“有充分的理由认为这会发生。不过我们的实验证明了在这种条件下实际会发生的情况。”

  Liu描述整个电路就像一条水管。充当阀门的畴壁控制着自旋波如何流过材料,就像水流过水管一样。

  Liu阐述道:“但你也可以想象使水压很高,它会冲掉阀门,将阀门到下面。如果我们施加足够强的自旋波,就可以移动畴壁的位置,只不过它稍稍向上游移动,而不是向下游移动。”

  此类创新可以实现实用的基于波的计算以处理特定任务,比如名为“快速傅立叶变换”的信号处理技术。

  作为研究工作的下一步,•●研究人员希望制造出一种切实可用的波电路以执行基本计算。为此,他们必须优化材料,减小潜在的信号噪声,并进一步研究通过移动畴壁的位置可以在状态之间多快地切换。

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