2019-11-29 06:02:02
借助电磁波实现更高效的计算

麻省理工学院的研究人员设计了一种新颖的电路设计,该设计可在不需要电的情况下精确控制电磁波的计算。这一进步向实用的基于磁的设备迈出了一步,该设备具有比电子设备更有效地计算的潜力。

古典计算机依靠大量的电能进行计算和数据存储,并产生大量的热量浪费。为了寻找更有效的替代方法,研究人员已开始设计基于磁性的“自旋电子”设备,该设备耗电较少,几乎不产生热量。

自旋电子器件在具有晶格结构的磁性材料中利用“自旋波”(电子的量子特性)。该方法涉及调制自旋波属性以产生一些可测量的输出,该输出可与计算相关。到目前为止,调制自旋波需要使用体积庞大的组件注入电流,这些组件会引起信号噪声并有效抵消任何固有的性能提升。

麻省理工学院的研究人员开发了一种电路架构,该电路架构仅在磁性材料的多层纳米膜中使用纳米范围的畴壁来调制通过的自旋波,而无需任何额外的组件或电流。继而,可以根据需要调整自旋波以控制壁的位置。这样可以精确控制两个变化的自旋波状态,这对应于经典计算中使用的1和0。

将来,成对的自旋波可以通过双通道馈入电路,进行调制以具有不同的特性,并结合在一起以产生一些可测量的量子干扰,类似于光子波干扰如何用于量子计算。研究人员假设,像量子计算机这样的基于干扰的自旋电子设备可以执行常规计算机难以应对的高度复杂的任务。

电气工程与计算机科学系(EECS)教授,该研究的Spintronic材料与器件部门首席研究员刘路桥说:“人们开始寻求硅以外的计算技术。波计算是一种有前途的选择。”电子实验室。 “通过使用这种狭窄的畴壁,我们可以调制自旋波并创建这两个独立的状态,而没有任何实际的能源成本。我们仅依靠自旋波和固有的磁性材料。”

自旋电子材料与器件事业部的三名研究生韩嘉豪,张鹏翔和侯贾斯汀(Justin T. Hou)参加了《科学》杂志上的刘翔。和EECS博士后Saima A. Siddiqui。

翻转马农

自旋波是小波长能量的波纹。自旋波的块,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。

在他们的工作中,研究人员利用了定制的“磁畴壁”,这是两个相邻磁结构之间的纳米级屏障。他们将钴/镍纳米膜的图案(每个原子厚几个)分层,并具有某些理想的磁性,可以处理大量的自旋波。然后,他们将墙放置在具有特殊晶格结构的磁性材料中间,并将系统整合到电路中。

在电路的一侧,研究人员激发了材料中恒定的自旋波。当波穿过墙壁时,其马格诺斯立即沿相反的方向旋转:第一个区域的马格诺斯向北旋转,而第二个区域的麦格诺斯(穿过墙)向南旋转。这会导致波的相位(角度)发生剧烈变化,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条单独的天线,用于检测和传输输出信号。结果表明,在其输出状态下,输入波的相位翻转了180度。从最高到最低峰值测量的波幅也已大大降低。

增加一些扭矩

然后,研究人员发现了自旋波与畴壁之间的相互影响,使他们能够在两种状态之间有效切换。没有畴壁,电路将被均匀地磁化。有了畴壁,电路就会产生分裂的调制波。

通过控制自旋波,他们发现他们可以控制畴壁的位置。这依赖于一种称为“自旋传递转矩”的现象,在这种情况下,使电子旋转时,电子实质上会摇动磁性材料以使其磁性方向翻转。

在研究人员的工作中,他们增强了注入的自旋波的能力,以诱发磁振子的某种自旋。实际上,这会将壁拉向增强波源。这样做会使壁卡在天线下,从而使其无法调制波并确保在此状态下均匀磁化。

他们使用特殊的电磁显微镜显示,此方法会导致壁上出现微米级的位移,足以将其定位在材料块上的任何位置。值得注意的是,磁振子自转传递转矩的机制是在几年前提出的,但尚未得到证实。刘说:“有充分的理由认为这会发生。” “但是我们的实验证明了在这些条件下实际会发生什么。”

刘说,整个电路就像一条水管。阀门(畴壁)控制水(自旋波)如何流过管道(材料)。刘说:“但是你也可以想象使水压这么高,它会切断阀门并将其推向下游。” “如果施加足够强的自旋波,我们可以移动畴壁的位置-除非它稍微向上游移动,而不向下游移动。”

这样的创新可以实现针对特定任务的实用的基于波的计算,例如称为“快速傅立叶变换”的信号处理技术。接下来,研究人员希望建立一个可以执行基本计算的工作波电路。除其他事项外,他们还必须优化材料,减少潜在的信号噪声,并进一步研究通过在畴壁周围移动可以在状态之间进行切换的速度。 “这是我们待办事项的下一个。”刘说。

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