麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

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麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少
麻省理工科技评论 2019-11-29

2019-11-29

在评测一台计算机性能时,人们都会重点关注它的散热性能如何。
麻省理工 设计 电磁波
在评测一台计算机性能时,人们都会重点关注它的散热性能如何。

在评测一台计算机性能时,人们都会重点关注它的散热性能如何。这是因为,目前的计算机在运行时会消耗大量的电能来进行计算和数据存储,如此就会产生许多废热。平白浪费能量不说,还需要设计散热系统。为了寻找更为有效的替代方法,科学家们已经开始着手设计新型电路。

近日,麻省理工学院的研究人员提出了一种十分新颖的电路设计,该设计下的电路可以在不消耗电能的情况下,利用电磁波对计算机进行精确的控制。这一发现向着基于磁的、实用性设备迈出了关键一步。使用此设计电路的设备将具有比传统电子设备更为高效的计算潜力。同时,研究人员已经开始设计基于磁性的“自旋电子”设备,这种设备耗电相对较少,也几乎不产生热量。

在将来,成对的自旋波可以通过双通道输入到电路中,根据不同的特性进行调制,并结合起来以产生一些可测量的量子干扰——类似光子波干涉被用于量子计算。研究人员假设,这种基于干涉的自旋电子设备,比如量子计算机,可以执行常规计算机难以应对的高度复杂的任务。

这项研究由麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)的华人助理教授 Luqiao Liu 带领其自旋电子材料和器件组课题组里的三名研究生 Jiahao Han,Pengxiang Zhang 和 Justin T. Hou,以及一名 EECS 的博士后 Saima A. Siddiqui 共同完成。

“人们开始寻求硅之外的计算能力,波计算是一种有前途的替代方法。”Luqiao Liu 说,“通过使用这个狭窄的畴壁,我们可以调节自旋波并创建两种独立的状态,而不需要任何实际的能源成本,我们只依靠自旋波和固有磁性材料。”

麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

图 | 使不耗电、基于磁的计算成为可能的设计(来源:MIT)

硅之外的计算能力:自旋波

自旋电子器件利用了磁材料中晶格结构的“自旋波”——即电子的量子特性。自旋波是波长很小的能量波。自旋波的组成,本质上是许多电子的集体自旋,被称为磁振子。尽管磁振子不是真正的粒子,就像单个电子一样,但是对于计算应用而言,可以类似地对其进行测量。

测量方法包括调制自旋波特性,以便产生一些可测量的输出,可让该输出与计算相关联。但到目前为止,调制自旋波需要使用体积庞大的元件来注入电流,而这些大体积元件会产生信号噪声,并能抵消任何固有的性能提升。

麻省理工学院的研究人员开发设计的这种电路结构,其仅使用磁性材料中多层纳米膜的一层中的一个纳米厚度的畴壁来调制通过的自旋波,不需要任何额外的组件或电流。继而,自旋波可以根据需要调节以控制磁畴壁的位置。这样便可以精确控制两个变化的自旋波状态,而这两个状态则对应于经典计算中使用的 0 和 1。

在他们的工作中,研究人员定制了一个特殊的“磁畴壁”,这是两个相邻磁性结构之间的纳米级厚度的屏障。他们将钴/镍纳米膜分层(每个纳米膜只有几个原子那么厚),并具有某些理想的磁性,可以处理大量的自旋波。然后,他们把“这堵墙”放在一种具有特殊晶格结构的磁性材料中间,并将系统整合为一个电路。

在电路的一侧,研究人员激发了材料中恒定的自旋波。当波穿过畴壁时,其磁振子立即沿相反的方向旋转:第一个区域的磁振子向北旋转,而第二个区域的磁振子(越过畴壁)向南旋转。这会导致波的相位(即角度)发生急剧变化,幅度(功率)会略有下降。

在实验中,研究人员在电路的另一侧放置了一根独立的天线,用来检测和传输输出信号。结果表明,在输出状态下,输入波的相位发生 180 ° 的翻转。波的强度,从最高到最低的峰值测量结果也下降了很多。

 添加“转矩”来强化功能

在得到上述结果之后,研究人员发现了自旋波与畴壁之间的相互作用,可使他们能够有效地在两种状态之间切换。没有畴壁,电路将被均匀地磁化;而有了畴壁,电路就会产生分裂的调制波。

通过控制自旋波,他们发现可以控制畴壁的位置。这依赖于一种被称为“自旋传递转矩”(spin-transfer torque)的现象,也就是自旋电子本质上震动磁性材料,来翻转其磁性方向。

在研究人员的工作中,他们提高了注入自旋波的能量,以诱发一定程度的磁振子自旋。实际上,这会将畴壁拉向增强波源。在这样处理时,天线下的畴壁被“卡住了”,从而使其无法调制波并确保在此状态下均匀磁化。

他们使用一种特殊的磁式电子显微镜,证明了这种方法可以使畴壁上出现微米级的位移,这足以使它在材料块中的任何位置移动。值得注意的是,几年前就有人提出了磁振子自旋传递转矩的机理,但并没有得到证实。Luqiao Liu 对外表示:“有充分的理由相信机理最终会被发现,而我们的实验证明了在这些条件下实际会发生什么。”

这种新型电路整体上看就像一条自来水管,阀门(畴壁)来控制水(自旋波)如何流过管道(材料)。“但是你也可以想象,当水的压力过高时,它会切断阀门,并将其推到下游。”Luqiao Liu 说,“如果施加足够强的自旋波,我们可以移动畴壁的位置——只不过它是稍微向上游移动,而不是推向下游。”

这样的创新可以为特定的任务提供实用的、基于波的计算,例如被称为“快速傅立叶变换”的信号处理技术。接下来,研究人员希望构建可以执行基本计算的工作波电路。与此同时,他们还需要优化材料,以减少潜在的信号噪声,并进一步研究通过在畴壁周围移动调节两种状态之间的切换速度。“这就是我们的待办事项清单。”Luqiao Liu 说道。

团队华人阵容

Luqiao Liu 的研究团队中有多位华人面孔。他本人毕业于北京大学物理系,之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前,他是 IBM 沃森研究中心的研究人员,还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学,重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

图 | Luqiao Liu(来源,MIT)

主持者 Luqiao Liu,是麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS)Robert J. Shillman 职业发展助理教授。他在 2015 年加入“麻省理工学院电子研究实验室”(RLE),是自旋电子材料和器件组课题组的首席研究员,他的团队共 9 人。

他毕业于北京大学物理系,之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前,他是 IBM 沃森研究中心的研究人员,还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学,重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

图 | 自旋电子材料和器件组课题组 (来源:MIT)

Liu 的研究小组致力于通过自旋-霍尔效应或量子拓扑绝缘体研究固态材料中的自旋-轨道相互作用,以实现高效的自旋电流产生和磁矩转换。由于自旋轨道电子器件(或自旋轨道电子器件)的运行是通过纯自旋电流而非电荷电流实现的,因此与传统器件相比,它的功耗要低得多。同时,Liu 也会探讨自旋轨道电子元件在记忆元件及逻辑元件方面的应用。他的团队还在研究电子电荷和自旋在各种材料系统(如反铁磁体和超导体)中的相互作用,并评估利用这些现象实现新型自旋电子的可能性。

麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

图 | Jiahao Han(来源:MIT)

Jiahao Han,“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。

麻省理工华人学者用电磁波计算:具有高效潜力,不散热且耗电极少

图 | Pengxiang Zhang(来源:MIT)

张鹏翔,“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。2013 年毕业于清华大学材料学院,目前是麻省理工学院研究生科研助理。

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图 | Justin T. Hou(来源:MIT)

Justin T. Hou,“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。

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