在評測一臺計算機性能時，人們都會重點關注它的散熱性能如何。這是因為，目前的計算機在運行時會消耗大量的電能來進行計算和數據存儲，如此就會產生許多廢熱。平白浪費能量不說，還需要設計散熱系統。為了尋找更為有效的替代方法，科學家們已經開始著手設計新型電路。
近日，麻省理工學院的研究人員提出了一種十分新穎的電路設計，該設計下的電路可以在不消耗電能的情況下，利用電磁波對計算機進行精確的控制。這一發現向著基於磁的、實用性設備邁出了關鍵一步。使用此設計電路的設備將具有比傳統電子設備更為高效的計算潛力。同時，研究人員已經開始設計基於磁性的“自旋電子”設備，這種設備耗電相對較少，也幾乎不產生熱量。
在將來，成對的自旋波可以通過雙通道輸入到電路中，根據不同的特性進行調製，並結合起來以產生一些可測量的量子干擾——類似光子波干涉被用於量子計算。研究人員假設，這種基於干涉的自旋電子設備，比如量子計算機，可以執行常規計算機難以應對的高度複雜的任務。
這項研究由麻省理工學院電氣工程與計算機科學系（EECS）的華人助理教授 Luqiao Liu 帶領其自旋電子材料和器件組課題組裡的三名研究生 Jiahao Han，Pengxiang Zhang 和 Justin T. Hou，以及一名 EECS 的博士後 Saima A. Siddiqui 共同完成。
“人們開始尋求硅之外的計算能力，波計算是一種有前途的替代方法。”Luqiao Liu 說，“通過使用這個狹窄的疇壁，我們可以調節自旋波並創建兩種獨立的狀態，而不需要任何實際的能源成本，我們只依靠自旋波和固有磁性材料。”
圖 | 使不耗電、基於磁的計算成為可能的設計（來源：MIT）
硅之外的計算能力：自旋波
自旋電子器件利用了磁材料中晶格結構的“自旋波”——即電子的量子特性。自旋波是波長很小的能量波。自旋波的組成，本質上是許多電子的集體自旋，被稱為磁振子。儘管磁振子不是真正的粒子，就像單個電子一樣，但是對於計算應用而言，可以類似地對其進行測量。
測量方法包括調製自旋波特性，以便產生一些可測量的輸出，可讓該輸出與計算相關聯。但到目前為止，調製自旋波需要使用體積龐大的元件來注入電流，而這些大體積元件會產生信號噪聲，並能抵消任何固有的性能提升。
麻省理工學院的研究人員開發設計的這種電路結構，其僅使用磁性材料中多層納米膜的一層中的一個納米厚度的疇壁來調製通過的自旋波，不需要任何額外的組件或電流。繼而，自旋波可以根據需要調節以控制磁疇壁的位置。這樣便可以精確控制兩個變化的自旋波狀態，而這兩個狀態則對應於經典計算中使用的 0 和 1。
在他們的工作中，研究人員定製了一個特殊的“磁疇壁”，這是兩個相鄰磁性結構之間的納米級厚度的屏障。他們將鈷/鎳納米膜分層（每個納米膜只有幾個原子那麼厚），並具有某些理想的磁性，可以處理大量的自旋波。然後，他們把“這堵牆”放在一種具有特殊晶格結構的磁性材料中間，並將系統整合為一個電路。
在電路的一側，研究人員激發了材料中恆定的自旋波。當波穿過疇壁時，其磁振子立即沿相反的方向旋轉：第一個區域的磁振子向北旋轉，而第二個區域的磁振子（越過疇壁）向南旋轉。這會導致波的相位（即角度）發生急劇變化，幅度（功率）會略有下降。
在實驗中，研究人員在電路的另一側放置了一根獨立的天線，用來檢測和傳輸輸出信號。結果表明，在輸出狀態下，輸入波的相位發生 180 ° 的翻轉。波的強度，從最高到最低的峰值測量結果也下降了很多。
添加“轉矩”來強化功能
在得到上述結果之後，研究人員發現了自旋波與疇壁之間的相互作用，可使他們能夠有效地在兩種狀態之間切換。沒有疇壁，電路將被均勻地磁化；而有了疇壁，電路就會產生分裂的調製波。
通過控制自旋波，他們發現可以控制疇壁的位置。這依賴於一種被稱為“自旋傳遞轉矩”（spin-transfer torque）的現象，也就是自旋電子本質上震動磁性材料，來翻轉其磁性方向。
在研究人員的工作中，他們提高了注入自旋波的能量，以誘發一定程度的磁振子自旋。實際上，這會將疇壁拉向增強波源。在這樣處理時，天線下的疇壁被“卡住了”，從而使其無法調製波並確保在此狀態下均勻磁化。
他們使用一種特殊的磁式電子顯微鏡，證明了這種方法可以使疇壁上出現微米級的位移，這足以使它在材料塊中的任何位置移動。值得注意的是，幾年前就有人提出了磁振子自旋傳遞轉矩的機理，但並沒有得到證實。Luqiao Liu 對外表示：“有充分的理由相信機理最終會被發現，而我們的實驗證明了在這些條件下實際會發生什麼。”
這種新型電路整體上看就像一條自來水管，閥門（疇壁）來控制水（自旋波）如何流過管道（材料）。“但是你也可以想象，當水的壓力過高時，它會切斷閥門，並將其推到下游。”Luqiao Liu 說，“如果施加足夠強的自旋波，我們可以移動疇壁的位置——只不過它是稍微向上遊移動，而不是推向下游。”
這樣的創新可以為特定的任務提供實用的、基於波的計算，例如被稱為“快速傅立葉變換”的信號處理技術。接下來，研究人員希望構建可以執行基本計算的工作波電路。與此同時，他們還需要優化材料，以減少潛在的信號噪聲，並進一步研究通過在疇壁周圍移動調節兩種狀態之間的切換速度。“這就是我們的待辦事項清單。”Luqiao Liu 說道。
團隊華人陣容
Luqiao Liu 的研究團隊中有多位華人面孔。他本人畢業於北京大學物理系，之後在康奈爾大學獲得應用物理學博士學位。在加入麻省理工學院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人員，還是 IBM 專利申請成就獎的獲得者。他的研究領域是自旋電子學，重點專注於自旋邏輯、非易失性存儲器和微波應用的納米級材料和設備。
圖 | Luqiao Liu（來源，MIT）
主持者 Luqiao Liu，是麻省理工學院電子工程與計算機科學系（EECS）Robert J. Shillman 職業發展助理教授。他在 2015 年加入“麻省理工學院電子研究實驗室”（RLE)，是自旋電子材料和器件組課題組的首席研究員，他的團隊共 9 人。
他畢業於北京大學物理系，之後在康奈爾大學獲得應用物理學博士學位。在加入麻省理工學院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人員，還是 IBM 專利申請成就獎的獲得者。他的研究領域是自旋電子學，重點專注於自旋邏輯、非易失性存儲器和微波應用的納米級材料和設備。
圖 | 自旋電子材料和器件組課題組 (來源：MIT）
Liu 的研究小組致力於通過自旋-霍爾效應或量子拓撲絕緣體研究固態材料中的自旋-軌道相互作用，以實現高效的自旋電流產生和磁矩轉換。由於自旋軌道電子器件（或自旋軌道電子器件）的運行是通過純自旋電流而非電荷電流實現的，因此與傳統器件相比，它的功耗要低得多。同時，Liu 也會探討自旋軌道電子元件在記憶元件及邏輯元件方面的應用。他的團隊還在研究電子電荷和自旋在各種材料系統（如反鐵磁體和超導體）中的相互作用，並評估利用這些現象實現新型自旋電子的可能性。
圖 | Jiahao Han（來源：MIT）
Jiahao Han，“麻省理工學院電子研究實驗室”自旋電子材料和器件組課題組博士後研究員。
圖 | Pengxiang Zhang（來源：MIT）
張鵬翔，“麻省理工學院電子研究實驗室”自旋電子材料和器件組課題組博士後研究員。2013 年畢業於清華大學材料學院，目前是麻省理工學院研究生科研助理。
圖 | Justin T. Hou（來源：MIT）
Justin T. Hou，“麻省理工學院電子研究實驗室”自旋電子材料和器件組課題組博士後研究員。
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