维也纳大学、斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所以及柏林和德累斯顿亥姆霍兹中心开展的一项新研究在计算设备小型化和更节能的挑战中迈出了重要一步。

利用磁铁进行替代计算的交流电

这项研究发表在《科学进展》杂志上，为通过交流电激发自旋波并根据需要重新定向这些波来创建可重新编程的磁子电路开辟了新的可能性。

我们在笔记本电脑、台式机甚至手机中使用的中央处理器 (CPU) 使用了数十亿个晶体管，这些晶体管基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术。随着对这些设备进行小型化的需求日益增加，一些物理限制引发了人们对其可持续性的担忧。此外，高功耗和能量损失促使科学家寻找替代的计算架构。

其中一个有希望的候选者是磁振子，即自旋波的量子。“想象一片平静的湖面。如果我们让一块石头掉进水中，产生的波就会从产生点向外传播。现在，我们用磁性材料代替湖面，用天线代替石头。传播的波被称为自旋波，可用于将能量和信息从一个点传输到另一个点，同时将损失降到最低，”维也纳大学的 Sabri Koraltan 说道，他是最近这项研究的第一作者。

一旦生成，自旋波便可用于磁振子设备，以执行经典和非常规计算任务。“为了减少磁振子设备的占用空间，我们需要使用波长较短的自旋波，由于效率有限，使用最先进的纳米天线很难生成这种波，”柏林亥姆霍兹中心的 Sebastian Wintz 和研究项目协调员补充道。

纳米天线只能在洁净室、高​​度专业化的纳米制造设备中使用先进的光刻技术来制造。

奥地利和德国的研究人员取得了重大进展，他们提出了一个更简单的解决方案：电流直接流过具有旋转磁图案的磁堆栈。“我们的研究表明，通过在合成亚铁磁涡旋对中使用横向交流电几何结构，我们可以实现自旋波发射，其效率比传统方法高出几个数量级，”科拉坦说。

合成亚铁磁体具有相反的磁化模式。如果上层有顺时针旋转的涡流，下层就有逆时针旋转的方向。这使得能够利用交流电产生的磁场有效地激发磁化模式。

Wintz 补充道：“利用位于柏林 BESSY II 电子同步加速器的高分辨率‘Maxymus’ X 射线显微镜，我们甚至能够观察到预测的纳米级波长和千兆赫频率的自旋波。”

“此外，通过加入特殊材料，这些材料在施加应变时可以改变其磁化强度，我们已经证明，只需调整施加电流的大小，就可以动态控制这些自旋波的方向。这可以被视为朝着有源磁振子装置迈出的重要一步，”科拉坦说。

维也纳大学功能材料物理系主任 Dieter Süss 补充道：“我们的新一代微磁模拟软件 magnum.np 让我们能够进行大规模模拟，这对于理解这种高效、可控的自旋波激发背后的主要机制至关重要。”

按需重定向自旋波的能力为创建可重新编程的磁振子电路开辟了新的可能性，这可能导致更具适应性和更节能的计算系统。这一发现代表着在寻找新方法来生成磁振子方面取得了重大进展，可能用于下一代基于磁振子的技术。