科學(xué)家發(fā)明了用光脈沖而不是電來處理超高速數(shù)據(jù)的方法。本發(fā)明使用磁鐵記錄計算機(jī)數(shù)據(jù)，幾乎零能耗，解決了如何在不帶來高能源成本的情況下創(chuàng)造更快數(shù)據(jù)處理速度的難題。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器消耗全球2%到5%的電力，產(chǎn)生的熱量反過來需要更多的電力來冷卻服務(wù)器。這個問題如此嚴(yán)重，微軟甚至將數(shù)百項數(shù)據(jù)中心服務(wù)沉入大海，來降低成本。大多數(shù)數(shù)據(jù)通過磁性硬盤中稱為自旋小磁鐵的方向被編碼為二進(jìn)制信息(分別為0和1)。

磁讀/寫頭是用來設(shè)置或檢索信息使用電流耗散大量的能量。發(fā)表在《自然》上的一個國際研究小組已經(jīng)解決了這個問題，他們用極短的光脈沖代替了電，這種光脈沖的持續(xù)時間只有1萬億分之一秒，由磁鐵頂部的特殊天線集中。這種新方法速度極快，但非常節(jié)能，因此磁鐵的溫度根本沒有升高。該研究小組成員包括：曾供職于內(nèi)梅亨大學(xué)、現(xiàn)為蘭開斯特大學(xué)的羅斯季斯拉夫·米哈伊洛夫斯基(Rostislav Mikhaylovskiy)博士、斯蒂芬·施勞德勒(Stefan Schlauderer)、克里斯托弗·蘭格(Christoph Lange)博士和雷根斯堡大學(xué)(Regensburg University)的魯伯特·胡貝爾(Rupert Huber)教授、

內(nèi)梅亨大學(xué)(Radboud University)的阿列克謝·基梅爾(Alexey Kimel)教授以及俄羅斯科學(xué)院(Russian Academy of Sciences)的阿納托利·茲維茲丁(Anatoly Zvezdin)教授。他們用超短光脈沖(持續(xù)時間為百萬分之一秒)在遠(yuǎn)紅外頻率下脈沖磁鐵，也就是所謂的太赫茲光譜范圍，來演示這種新方法。然而，即使是現(xiàn)有最強(qiáng)的太赫茲光源也無法提供足夠強(qiáng)的脈沖來改變磁鐵方向。這一突破是利用同一團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的自旋與太赫茲電場耦合的有效相互作用機(jī)制實現(xiàn)。然后，科學(xué)家們在磁鐵的頂部開發(fā)并制造了一個非常小的天線來集中并增強(qiáng)光的電場。

這種最強(qiáng)的局部電場足以使磁鐵的磁化在一萬億分之一秒內(nèi)達(dá)到新方向。磁體的溫度根本沒有升高，因為這個過程只需要太赫茲光的一個量子能量（一個光子）每旋轉(zhuǎn)一次。米哈伊洛夫斯基博士說：創(chuàng)紀(jì)錄的低能量損耗使這種方法具有可擴(kuò)展性。未來存儲設(shè)備還將利用天線結(jié)構(gòu)的出色空間定義，使實用的磁存儲器同時具有最高的能源效率和速度。研究人員計劃在蘭開斯特大學(xué)(Lancaster University)與科克羅夫特研究所(Cockroft Institute)的加速器一起，利用這種新型超快激光進(jìn)行進(jìn)一步研究。

這種加速器能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的光脈沖，從而允許開關(guān)磁鐵，并確定磁記錄的實際、基本速度和能量極限。未來的信息技術(shù)要求更快、更低損耗的量子控制。強(qiáng)烈的光場沿著這條路促進(jìn)了里程碑式的進(jìn)展，包括誘導(dǎo)物質(zhì)電子的彈道加速新狀態(tài)，以及谷偽譜的相干翻轉(zhuǎn)。這些動力學(xué)留下獨(dú)特的“指紋”，如特征帶隙或高次諧波輻射。轉(zhuǎn)換技術(shù)上最重要的量子屬性（由勢壘隔開的兩種狀態(tài)之間的自旋）最快且耗散最小的方法是觸發(fā)全相干進(jìn)動。皮秒電場和磁場的實驗和理論研究表明，觀察實際的自旋動力學(xué)仍然是遙不可及。

在這里，研究人員展示了太赫茲電磁脈沖允許自旋在勢壘上的相干轉(zhuǎn)向，并報告了相應(yīng)的時間和光譜指紋。這一目標(biāo)是通過耦合自旋在反鐵磁性TmFeO3(銩正方石)與局部增強(qiáng)太赫茲電場定制天線。在一皮秒的時間內(nèi)，強(qiáng)烈的太赫茲脈沖突然改變了磁各向異性，引發(fā)了大振幅的彈道自旋運(yùn)動。與數(shù)值模擬結(jié)果一致，相干自旋轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜弰輼O小值的特征相位反轉(zhuǎn)、集體自旋共振的不對稱分裂和法拉第信號的長壽命偏移是相干自旋轉(zhuǎn)變的特征。可切換狀態(tài)可通過外部磁偏來選擇，低損耗和天線的亞波長空間定義可以促進(jìn)可伸縮的自旋器件以太赫茲速率運(yùn)行。

博科園｜研究/來自：蘭開斯特大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1174-7

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