解锁下一代计算机技术:用于自旋电子学的新型纳米级设备

2021年04月16日 17:19 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

自旋波可以解锁下一代计算机技术,一个新的组件可以让物理学家实现对它的控制。阿尔托大学的研究人员开发了一种自旋电子学的新装置。该成果已发表在《自然-通讯》杂志上,标志着向利用自旋电子学制造数据处理和通信技术的计算机芯片和设备,使其体积小而功能强大的目标迈出了一步。

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传统的电子技术使用电荷来进行计算,为我们日常的大部分技术提供动力。然而,工程师们无法让电子器件更快地进行计算,因为移动电荷会产生热量,散热的局限性让芯片的体积和速度已经到了极限。由于电子器件无法变小,人们担心计算机无法以过去70年的速度变得更强大、更便宜,而自旋电子学可能是解决方案。

"自旋"和 "电荷 "一样,是电子等粒子的一种属性。研究人员对使用自旋来进行计算感到兴奋,因为它避免了目前计算机芯片的发热问题。"如果使用自旋波来运算,那运用的是自旋的转移,不需要移动电荷,所以不会产生热量,"领导该论文撰写小组的Sebastiaan van Dijken教授说。

该团队制作的装置是法布里-佩罗谐振器,它是光学领域的一种著名工具,用于制造具有严格控制波长的光束。研究人员在这项工作中制作的自旋波版本使他们能够在直径只有几百纳米的器件中控制和过滤自旋波。

这些器件是通过将具有奇异磁性的材料的极薄层相互夹在一起制成的。这就创造了一种装置,如果材料中的自旋波不是所需的频率,它们就会被捕获并被抵消。"这个概念很新,但很容易实现,"论文的第一作者秦华君博士解释说,"诀窍是制造出优质的材料,阿尔托大学就有这样的材料。事实上,制造这些设备并不具有挑战性,这意味着我们有很多机会进行新的令人兴奋的工作。"

无线数据处理和模拟计算

加速电子器件的问题不仅仅是过热,它们还造成了无线传输的复杂化,因为无线信号需要从其较高的频率转换到电子电路能够处理的频率。这种转换会减慢这个过程,并且需要能量。自旋波芯片能够在移动电话和Wi-Fi信号中使用的微波频率下工作,这意味着它们在未来有很大的潜力用于更快、更可靠的无线通信技术。

此外,自旋波还可以在特定任务中以比电子计算更快的方式进行计算。"电子计算使用布尔或二进制逻辑来进行计算,"van Dijken教授解释说,"对于自旋波,信息是以波的振幅来携带的,这就可以进行更多模拟风格的计算。这意味着,它对图像处理或模式识别等特定任务非常有用。我们的系统最棒的地方在于,它的尺寸结构意味着它应该很容易集成到现有的技术中。"现在,该团队已经有了过滤和控制自旋波的谐振器,接下来的步骤是为它们制作一个完整的电路。"为了构建一个磁力电路,我们需要能够引导自旋波走向功能元件,就像电子微芯片上的导电电通道那样。我们正在研究制作类似的结构来引导自旋波。"

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