无需电力,“波运算”迈出重要一步:麻省理工团队发明自旋波计算关键器件丨独家专访

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无需电力,“波运算”迈出重要一步:麻省理工团队发明自旋波计算关键器件丨独家专访
麻省理工科技评论 2019-12-17

2019-12-17

麻省理工团队在 Science 上发表了一种利用自旋波进行信息传递的器件研究,这个过程中不需要电流,不会产生“热”。
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麻省理工团队在 Science 上发表了一种利用自旋波进行信息传递的器件研究,这个过程中不需要电流,不会产生“热”。

自托马斯发现电子之后,这个可爱的小精灵至今都是人类科学技术发展的一大中心。

如今我们生活中使用的各式各样的电子产品都是基于电子电路,并由不同的电子电路实现不同的功能,其最基本的原理就是电子在导体和半导体中的运动。

基于电子的运动及对电子运动的控制,我们制造出了很多电子的器件和电路,从此计算机替代了“算盘”或者“绳结”等传统计算工具,信息的传递和储存也电子化,可以说,信息处理和传播的速度由于电子技术和信息技术的发展得到了巨大的飞跃。

但是,基于电子运动的电子电路有一个无法避免的问题,那就是发热问题。

英国物理学家焦耳提出的“焦耳定律”告诉我们,电流在导体中会产生焦耳热:电流通过导体所产生的热量和导体的电阻成正比,和通过导体的电流的平方成正比,和通电时间成正比。而这也是我们使用电子产品时会觉得它们在发热的原因。

无需电力,“波运算”迈出重要一步:MIT发明自旋波计算关键器件

图 | 英国物理学家焦耳

对于不以发热为应用目的的电子产品,例如手机、计算机等,我们是不希望它们产热的,一方面,这是能源的浪费;另一方面,温度升高也许会对电子在导体和半导体中的运动产生影响,甚至使得一些半导体元器件失效。并且如果一个电路或者一个器件出现局部过热的情况,也许会在电路的封装内部发生爆炸。我们在购买电脑的时候,其散热性能也是需要考虑的一个重要指标。

所以,很多科学家很早就在找电子的替代品,例如神奇的“光脑”,就是用光子作为传输的单元,光路类比于电路。

除此之外,“自旋波”也可用以传递信息。近日,麻省理工学院的研究团队在学术期刊 Science 上就发表了一种利用自旋波进行信息传递的器件研究,而且这个过程中不需要电流,也就是说不会产生“热”。

论文题目为“ Mutual control of coherent spin waves and magnetic domain walls in a magnonic device ”。文章的通讯作者、麻省理工学院电气工程和计算机科学系( EECS )副教授 Liu Luqiao 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”。

无需电力,“波运算”迈出重要一步:MIT发明自旋波计算关键器件

图 | 发表在 Science 期刊上的论文

文章第一作者憨家豪博士在接受 DeepTech 独家专访时解释道:“我们使用了溅射、蒸镀等薄膜制备技术和电子束曝光作为器件加工技术。这些制备工艺和如今的 CMOS 工艺兼容。”这些工艺技术都是硅基 CMOS 工艺线上十分常见的, Liu 教授的团队研制的这种器件,是一种纳米级的层级结构,每一层的厚度都在几个纳米左右,有一些还在 1 纳米之下,而实现的功能也是十分精密的,可见其工艺技术之高超,可谓是用平常的厨具做出了一桌好菜。

无需电流也能传递信息

电子电路之所以会产生热,是因为有电流。如果没有了电流就没有热。

Liu Luqiao 的研究团队设计的器件背后,正是基于这样的一个基本思路。

这种器件实现信号流动靠的是自旋波在纳米器件中的传递。自旋波,则是在磁性材料中磁扰动的有序传播,早在 1929 年就由费利克斯·布洛赫( Felix Bloch )预测。

简单来说,我们在高中物理中学到的“波”其实就是以波这种形状进行传播的能量或物质,比如常见的水波、声波等。而自旋波的基础单元是“磁振子( Magnon )”,即单个电子的自旋方向的扰动,就好像一个箭头摇头晃脑的样子,自旋波就是这些电子的自旋方向成为一个有序的形状,如同在足球赛场上看到的人浪。

作为一种能够在磁性材料中传播的波,类似于电流,自旋波也能做同样的事情,它能存在于磁性材料中。

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图 | 自旋波示意图(来源:互联网)

走向应用的关键挑战

自旋波诞生以来未能走向大规模应用,其中一个原因正是因为它难以被控制。

正如人类发现导体中能通过电流,但如果不知道如何控制电流,也依然无法对这样的物理现象进行应用。

在探索解决这个问题的过程中,半导体以及半导体的器件出现了,例如场效应管( MOSFET )的经典应用就是在门极加上控制信号,控制它的通断,形成一个受控的电子开关。

与此类似,我们要在特殊的电路或者器件中利用自旋波,也需要掌握控制技术,对于自旋波而言,最大的难题之一就是如何调制。

调制自旋波就是控制它的特性,一般而言,有采用合成材料、静态磁场以及大电流输入等方法来实现,但技术并不成熟,会引入信号噪声,并且控制端电路和结构过于庞大,能量消耗也不小,这样会抵消掉任何固有的性能提升。

憨家豪和他的同伴们开发的器件,则采用了另一种方法——利用存在于磁性材料中的“磁畴壁( Magnetic Doumain Wall )”来调制自旋波。

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图 | 采用磁畴壁调制自旋波示意图(来源:论文)

如图所示,分隔左右两个区域的就是磁畴壁。

它一般存在于磁畴之间,磁畴就是铁磁材料中表现出磁场方向不同的区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。

这些磁畴的方向整体加和起来就是零,而这也是铁材料在平时并不具有磁性的原因。不过,一旦我们用磁铁去摩擦铁材料,就会使其产生磁性,这是因为外加的磁场将很多磁畴的方向重新排列,产生了一个相同的方向,从而产生磁性。

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图 | 铁材料中的磁畴

用磁畴壁来调制自旋波的原理在于磁畴与磁畴之间的方向不同,其区域内部的电子自旋方向也不同,但是它们的扰动可以形成自旋波。

调制的结果就是从左侧的电子向上自旋,到了右侧就变成自旋向下了。而且,磁畴壁对于自旋波的调制除了自旋方向之外,还有振幅的调制效果。其实,对于自旋波来说,只要构成了有序的形状,那么在空间上这些电子的自旋方向就相当于联系在一起了。

就如同知道波上两点的空间距离,就能知道这两个点的相位差以及振幅之间的关系。那么,控制了空间距离,就能对自旋波的相位和幅值进行调制。

理论原理厘清之后,在器件实现层面,研究团队开发的器材采用了纳米级层级结构,并专门构建了这样一种磁畴壁,在它的两边磁畴的磁化方向正好相反呈 180°。这样的设计不需要任何额外的组件或电流的输入,就能对自旋波产生控制。

而控制的本质在于将磁畴壁的位置进行调整,即调整波的入射点与接收点之间的空间位置。但是,在一般的认知中,磁畴壁的位置其实算是材料的固有属性,材料一旦制作出来,磁畴壁的位置不会轻易改变。

然而,研究团队采用了更加神奇的原理,他们发现自旋波本身对于磁畴壁反过也有调制的作用,自旋波可以根据需要调节以控制磁畴壁的位置。

其实,整个器件就像一个带活动阀门的水管,磁畴壁就是控制自旋波“流动”的阀门。 Liu Luqiao 教授对此做出了十分恰当的比喻:“你也可以想象,当水的压力过高时,阀门会被推向下游。如果我们施加足够强的自旋波,就可以移动畴壁的位置,只不过它是稍微向上游移动,而不是被推向下游。”

如此一来,自旋波就真的和 MOS 管中的电流一样了,既可以是电流输入输出信号,也可以是控制信号。

验证环节,研究团队使用一种基于磁光效应的 MOKE 显微镜( magneto-optic Kerr effect ),观测到自旋波使得磁畴壁出现微米级位移的现象,证明了自旋波反过来也能调制磁畴壁。

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图 | MOKE 显微镜( magneto-optic Kerr effect )的实验设置(来源:论文)

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无需电力,“波运算”迈出重要一步:MIT发明自旋波计算关键器件

图 | A.器件在 SEM(电子显微镜)下的图像;BC.自旋波动过上-下磁畴壁与下-上磁畴壁的MOKE图像表明磁畴壁的移动(BC 图组的上图均表示没有通自旋波的情况,图中的黄色亮区以及黑色区域表示不同的磁畴)

自旋波计算的未来

研究人员表示,这样的自旋波磁振子器件如果通过独到的设计是能够实现双信号输入的,即输入信号和控制信号并驾齐驱,也就是说,可以利用这样的器件组成纯用自旋波的“波电路( wave circuit )”。接下来,研究人员希望构建可以执行基本计算的波电路,为特定的任务提供实用的自旋波计算。在这样的波电路上进行计算,能够摆脱传统的电流带来的一系列束缚。

与此同时,Liu Luqiao 教授表示,还需要就材料进行优化,减少潜在的信号噪声,以及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。

对于自旋器件的未来研究,憨家豪也特别提到,材料可能是一个很重要的方面。

他表示:“自旋电子学的发展需要磁化状态稳定、并且能够以低功耗手段调控磁化状态和磁化动力学的磁性材料,以及能够高效产生自旋极化的材料(例如具有强自旋轨道耦合的材料)。

研究人员在之前 TMR、STT-RAM 器件成功实现生产的基础上,在各个方向都取得了相当的进展和突破,例如发现了强自旋轨道耦合的拓扑材料,以及发现了能够产生强自旋极化和超快动力学过程的物理机制(例如自旋轨道扭矩 spin orbit torque )。但是部分材料的制备较为困难,需要特定的基片和外延生长技术。

另外,要将这些新发现的材料、物理机制结合在一个简单的器件结构中还有一定的难度,需要后续研究。”

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