加州大學(xué)河濱分校及其合作伙伴正在探索反鐵磁自旋電子學(xué)，這項(xiàng)技術(shù)可以通過量子力學(xué)解鎖閃電般的超密集內(nèi)存和更智能的計(jì)算。

加州大學(xué)河濱分校通過加州大學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室費(fèi)用研究計(jì)劃獲得了近400萬美元的資助，用于領(lǐng)導(dǎo)反鐵磁自旋電子學(xué)的一項(xiàng)重大研究計(jì)劃，這是一種有前途的先進(jìn)存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)的新方法。

在接下來的三年里，該項(xiàng)目將探索如何利用反鐵磁性材料 —— 以其超快、基于自旋的特性而聞名 —— 來推動(dòng)現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展。

用反鐵磁體推進(jìn)微電子學(xué)

“半導(dǎo)體微電子行業(yè)正在尋找新材料、新現(xiàn)象和新機(jī)制來維持技術(shù)進(jìn)步，”加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)和天文學(xué)杰出教授、該獎(jiǎng)項(xiàng)的首席研究員石靜（音譯）說。“與加州大學(xué)圣地亞哥分校、加州大學(xué)戴維斯分校、加州大學(xué)洛杉磯分校和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的共同首席研究人員合作，我們的目標(biāo)是鞏固加州大學(xué)在這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并在不久的將來獲得校外中心和小組資金。”

自旋電子學(xué)是自旋電子學(xué)的簡(jiǎn)稱，除了利用電荷外，還利用電子自旋的量子特性進(jìn)行信息處理。反鐵磁自旋電子學(xué)提供了一種更快、更緊湊的替代方案，以取代目前用于存儲(chǔ)芯片和硬盤驅(qū)動(dòng)器的鐵磁技術(shù)。

什么是自旋電子學(xué)？快速入門

石靜解釋說，在鐵磁性材料中，所有的電子自旋都在同一方向上排列，從而產(chǎn)生凈磁矩。相反，反鐵磁體具有交替的自旋方向，因此沒有凈磁矩。盡管如此，相反排列的自旋方向可以被翻轉(zhuǎn)來代表兩種不同的狀態(tài)，這可以用于內(nèi)存存儲(chǔ)。

“反鐵磁存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)是密度更高，因?yàn)槿狈舸啪匾馕吨噜彽谋忍夭粫?huì)相互干擾，”石靜說。“此外，由于更快的自旋動(dòng)力學(xué)，反鐵磁體中的內(nèi)存寫入速度更快，這是由一種稱為交換相互作用的量子相互作用驅(qū)動(dòng)的。”

更快、更密集、更智能的存儲(chǔ)系統(tǒng)

除了內(nèi)存，反鐵磁體在計(jì)算方面也有潛力，特別是在“磁性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”方面。特殊的反鐵磁體，稱為易平面反鐵磁體，可以攜帶自旋脈沖以最小的能量損失進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，石靜解釋說。

“這些脈沖可以通過多個(gè)神經(jīng)層傳播信息，類似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中處理信號(hào)的方式，”他說。“這是可能的，因?yàn)橐环N叫做自旋超流動(dòng)性的量子態(tài)，自旋脈沖在沒有太多耗散的情況下有效地穿過材料。”

自旋超流動(dòng)性與節(jié)能處理

這個(gè)名為“用于先進(jìn)存儲(chǔ)和計(jì)算的反鐵磁自旋電子學(xué)”的項(xiàng)目，將研究這些特殊的反鐵磁體并研究它們的潛力。研究人員將使用加州大學(xué)洛杉磯分校以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。該項(xiàng)目還將涉及幾名博士后研究人員和研究生的參與。

石靜說，提案的審稿人認(rèn)為這項(xiàng)研究是高風(fēng)險(xiǎn)和高回報(bào)的。

“未來還有很多挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)和合成材料的創(chuàng)新方法，但我們的團(tuán)隊(duì)在反鐵磁材料合成方面擁有強(qiáng)大的專業(yè)知識(shí)，”他說。“我們有信心克服這些挑戰(zhàn)。”

UCR團(tuán)隊(duì)包括物理學(xué)和天文學(xué)副教授伊戈?duì)枴ぐ吞K科夫（Igor Barsukov）等人。

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