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纳米电子学的新动力

  近年来,电子数据处理一直在向一个方向发展:业界已将其组件缩◆■小到纳米范围。但是这个过程现在已达到其物理极限。因此,Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)的研究人员正在探索自旋波或所谓的磁振子 - 这是一种在更紧凑的微芯片中传输信息的有前景的替代方案。他们与国际合作伙伴合作,成功地生成并控制了极短波长的自旋波。物理学家通过利用自然磁性现象实现了这一壮举,正如他们在“自然纳米技术”杂志中所解释的那样。

  长期以来,信息技术领域有一条可靠的经验法则:微处理器上的晶体管数量大约每两年增加一倍。由此带来的性能提升为我们带来了现在我们认为理所当然的数字机遇,从高速互联网到智能手机。但随着芯片上的导体变得越来越微小,我们开始面临问题,正如HZDR离子束物理与材料研究所的Sebastian Wintz博士所解释的那样:“流经我们现代微处理器的电子加热芯片到期在◁☆●•○△一定程度上,芯片完全失效,因为热量不再能够逃逸。“这也防止了组件速度的进一步提高。

  这就是为什么现在也在瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)工作的物理学家为信息载体设想了不同的未来。Wintz和他的同事们正在利用被称为“旋转”的电子的特定属性而不是电流。微小的粒子表现得好像它们不断围绕自己的轴旋转,从而产生磁矩。在某些磁性▪…□▷▷•材料中,如铁▼▼▽●▽●或镍,自旋通常彼此平行。如果这些旋转的方向在一个地方改变,则该破坏行进到相邻的粒子,触发可用于编码和分配信息的自旋波。“在这种情况下,电子保留在它们所在的▼▲位置,”Wintz说,他们描述了它们的▲★-●优势。“他们几乎不产生任何热量,

  然而,到目前为止,存在两个使自旋波使用复杂化的基本挑战:可以产生的波长对于芯片上的纳米尺寸结构来说不够短,并且没有办法控制波。Sebastian Wintz和他的同事现在已经能够找到解决这两个问题的方法。“与通常用于激发波浪的人造天线不同,我们现在使用的是天然在材料内部形成的天线,”Volker Sluka博士的研究的第一作者◇=△▲解释说。“为此,我们制造了包含两个铁▽•●◆磁盘的微元件,这两个铁磁盘通过钌垫片反铁磁耦合。此外,我们选择了圆盘的材料,使旋转更喜欢沿空间的特定轴对齐,

  在这两•◇…=▲●△▪▲□△层中,这产生了不同磁化的★▽…◇区域,由所谓的畴壁隔开。然后,科学家将这些层暴露在交替频率为1千兆赫或更高的磁场中。使用位于柏林Helmholtz-Zentrum的斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的X射线显微镜,他们能够观察到具有平行波阵面的自旋波沿着垂直于畴壁的方向行进。“在之前的实验中,波浪的涟漪看起来就像是在卵石撞击水面时得到的波纹,”Sluka报道。“这不★-●=•▽是最佳选择,因为随着波浪向四面八方传播,振荡会迅速衰◆●△▼●减。为了保持相同的类比,

  正如X射线图像•□▼◁▼所示,这些自旋波可以在仅约100纳米的波长下传播几微米,而没有任何明显的信号损失 - 这是在现代信息技术中使用它们的必要先决条件。此外,当物理学家将刺激频率设定在半千兆赫以下时,他们已经发现了控制这种新信息载体的可能方法。因此,自旋波▪•★仍然被困在畴壁中:“在这种情况下,波浪甚至能够以曲线运行,”Volker Sluka说道,并补充说:“尽管如此,我们仍然能够检测到信号。”他们的研究结果为研究自旋波电路的进◆◁•一步发展奠定了重要基础。

  从长远来看,这可能会促进微处理器的全新设计,Sebastian Wintz预测:“使◇•■★▼用磁场,我们可以相对容易地移动畴壁。这意味着使用自旋波的芯片不一定需要预定义的架构,但他们以后可以改变并适应新的任务。“

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