纯磁振子集成电路的工作原理及未来应用

凯泽斯劳滕科技大学（TUK）和维也纳大学的研究人员成功地构建了一个计算机电路的基本组成部分，用磁振子代替电子传递信息。《Nature Electronics》杂志上所描述的“磁振半加法器”只需要三根纳米线，而且比最新的计算机芯片能耗低得多。

一组物理学家正在为寻求更小、更节能的计算打下一个里程碑：他们开发了一个集成电路，使用磁性材料和磁子来传输二进制数据，这是构成当今计算机和智能手机的基础的1和0。

这种新的电路非常微小，采用流线型的二维设计，比目前最先进的采用CMOS技术的计算机芯片所需能量少10倍。虽然目前的磁振子结构不如CMOS快，但成功的演示现在可以进一步用于其他应用，如量子或神经形态计算。

成功的合作

这个原型是安德烈·丘马克（Andrii Chumak）欧洲研究委员会（ERC）启动资助的四年努力的结晶，并与TUK大学的Philipp Pirro博士和目前在维也纳大学博士后的Wang博士密切合作。丘马克教授在杜克大学开始了这项工作，现在领导着维也纳大学的一个研究小组。

丘马克说：“我们非常高兴，因为我们成功地完成了几年前的计划，而且效果比我们预期的还要好。”当他第一次提出磁振子电路时，他的设计非常复杂，他认为这篇论文的主要作者王功权使设计“至少改进了100倍”。

丘马克说：“我们现在看到，磁电子电路可以和CMOS一样好，但如果你想触发工业，这可能还不够。我想你至少得比它小100倍，速度更快。但这一电路为二进制数据以外的其他领域提供了绝佳的机会，例如在非常低的温度下进行量子磁计算。”

皮尔罗补充道：“我们也有兴趣为受大脑功能启发的神经形态磁共振计算机调整电路。”

工作原理

这些纳米电路元件的尺寸不到一微米，比人的头发还薄，即使在显微镜下也几乎看不见。它包括三根纳米线，由一种叫做钇铁石榴石的磁性材料制成。这些导线彼此精确定位，形成两个“定向耦合器”，引导磁振子穿过导线。磁振子是自旋波的量子，把它们想象成投进岩石后池塘表面的涟漪，但在这种情况下，波是由量子水平上固体材料的磁序扭曲而形成的。我们花了大量的时间和精力找出最佳的纳米线长度和间距，以产生预期的结果。

在第一个耦合器处，两根导线非常接近，自旋波被分成两半。一半进入第二个耦合器，在那里它在导线之间来回跳跃。根据振幅的不同，波将从顶部或底部导线退出，分别对应于二进制“1”或“0”。由于电路包含两个方向耦合器，将两个信息流相加，因此形成了一个“半加法器”，这是计算机芯片中最通用的组件之一。数百万个这样的电路可以组合起来进行越来越复杂的计算和功能。

皮尔罗说：“普通计算机通常需要数百个元件和14个晶体管，而这里只需要三根纳米线、一个自旋波和非线性物理。”。

未来应用

皮尔罗目前正在杜克大学的自旋电子学计算研究中心“Spin+X”的框架内领导方向，他现在将探索使用纯磁振子电路进行神经形态计算，这种方法处理数据的方式不是二进制的，而是更像人脑。自旋波更适合于更复杂的系统，并且有可能携带更多的信息，因为它们有两个参数：振幅，波高，相位，波角。在当前的演示中，团队没有使用phase作为变量，以使其对于二进制数据处理保持简单。

皮尔罗说：“如果这种设备已经可以与CMOS竞争，即使它没有使用基于波的方法的全部功率，那么我们可以非常确信，在某些任务中，利用自旋波的全部功率的方案比CMOS更有效。”当然，最终目标是将CMOS和纯磁振子技术的优势结合在一起。”
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