自旋電子學(xué)具有使計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度更快、智能手機(jī)運(yùn)行效率更高的潛力，因此被認(rèn)為是未來電子領(lǐng)域一個很有前景的概念。

在包括馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所(MPI-IS)和亥姆霍茲- zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)在內(nèi)的合作中，一組研究人員現(xiàn)在已經(jīng)成功地產(chǎn)生了所謂的自旋波，比以前認(rèn)為的更容易、更有效。研究人員在《物理評論快報》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片是基于電荷傳輸，每個處理事件都導(dǎo)致電子電流在電子元件中流動。

博科園-科學(xué)科普：這些電子遇到電阻，產(chǎn)生不需要的熱量，芯片上的結(jié)構(gòu)越小，散熱就越困難。這種基于電荷架構(gòu)也是處理器時鐘速率多年來沒有顯著增長的部分原因。芯片性能和速度的穩(wěn)定發(fā)展曲線正在趨于平緩。HZDR離子束物理與材料研究所的Sebastian Wintz博士解釋說：現(xiàn)有概念已經(jīng)達(dá)到極限；這就是為什么我們正在研究一種新的策略——自旋波。這種方法不再涉及電荷的傳輸，而是只傳輸磁性材料中電子的固有角動量(自旋)。電子本身保持靜止，只有自旋發(fā)生變化。

由于相鄰電子的自旋相互感應(yīng)，一個自旋變化可以傳播到相鄰電子。結(jié)果是磁性信號像波一樣穿過材料——自旋波。自旋驅(qū)動組件的優(yōu)勢在于，它們產(chǎn)生的熱量非常少，這意味著它們可能會消耗更少能源——這對智能手機(jī)等移動設(shè)備來說非常有趣。由于自旋波的波長比類似電磁信號要短得多，例如在移動通信中，也有可能使某些應(yīng)用的元件進(jìn)一步小型化。這意味著我們可以在芯片上安裝能比現(xiàn)在更多的電路。

用磁渦流引起自旋波

在能做到這一切之前，首先需要更多的基礎(chǔ)研究。例如需要知道如何有效地產(chǎn)生自旋波。專家們試圖解決這個問題已經(jīng)有一段時間了，將微米大小的金屬條連接到薄磁性層上。交流電通過這條帶產(chǎn)生磁場被限制在一個非常小的空間。這個磁場會激發(fā)磁層中的自旋波。但是這種方法有一個缺點(diǎn)：很難使產(chǎn)生的自旋波波長小于金屬條寬度，這不利于納米結(jié)構(gòu)高度集成元件的發(fā)展。

然而，還有另一種選擇：一種形狀為圓形圓盤的磁性材料能喚起磁渦旋的形成，而磁渦旋的核心尺寸不超過10納米。磁場可以使渦旋核發(fā)生振蕩，從而在這一層觸發(fā)自旋波。一段時間以前，需要相對復(fù)雜的多層材料來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。現(xiàn)在已經(jīng)成功地用一種非常簡單的材料從渦旋核心發(fā)出了自旋波，研究人員使用一種易于制造的鎳鐵合金層，厚度約為100納米。

出乎意料的短波長

值得注意的是產(chǎn)生自旋波的波長只有80納米，在MPI-IS的博士論文中對這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究的Georg Dieterle博士說：專家們對在如此簡單的材料中做到這一點(diǎn)感到驚訝，我們也沒想到能在低千兆赫的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生這樣的短波。專家認(rèn)為短波長的原因在于它們傳播的方式。自旋波靠近鎳鐵層的橫截面中心，形成一種“結(jié)”，其中磁方向只上下振蕩，而不是沿著通常的圓形軌跡。為了使這些現(xiàn)象可見，研究小組在柏林亥姆霍茲中央?yún)^(qū)的電子儲存環(huán)BESSY II上使用了一種特殊的x射線顯微鏡。

MPI-IS主任吉塞拉·舒茨(Gisela Schutz)教授強(qiáng)調(diào)說：這是地球上唯一一個提供必要空間和時間分辨率的地方。沒有這臺顯微鏡，就無法觀察到這些效果?，F(xiàn)在專家們希望他們的研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步發(fā)展自旋電子學(xué)。迪特爾說：例如渦旋核可以作為一個局部、可控的源，用來探索潛在的現(xiàn)象，并利用自旋波成分開發(fā)新的概念，觀察到的自旋波可能在未來與高度集成電路有關(guān)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會

參考期刊文獻(xiàn):《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117202

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