二维集成磁振子电路中自旋波定向耦合器示例模型

图片来源：Niels Paul Bethe, SYNC audiovisual design

科技创新世界潮

本报驻德国记者 李 山

近日，在追求更小、更节能的计算机方面科学家取得重要进展。

为了解决电子移动产生的焦耳热限制，科学家们充分利用波的潜力，开发出一种磁振子电路，用自旋波来传播和处理信息。

这种磁振子电路采用极简的二维设计，所需的能量比目前先进的电子芯片少约10倍，将来有望在量子计算和类脑的神经网络计算等领域获得应用。

磁振子，电子的替代品

电子器件中信息的传输和处理是通过对电子的操控完成的，但是电子移动所产生的焦耳热限制了电子器件向小型化和低功耗方向的发展。于是科学家不断寻找电子的替代品，例如光子或磁振子。

在量子力学的等效波图中，磁振子可以被看作是量化的自旋波。利用磁振子开发磁控器件组件，包括逻辑门、晶体管和非布尔计算单元，已经获得成功。但作为电路组成部分的磁定向耦合器，由于其毫米尺寸和多模频谱始终无法实用。

现在，德国凯泽斯劳滕工业大学和奥地利维也纳大学的科学家成功开发出一款亚微米尺寸的磁定向耦合器，并通过波的非线性效应设计了一个易于加工的基于二维平面的半加器，实现了用自旋波来传播和处理信息。

科学家们开发的这个集成磁振子电路尺寸极小，采用了极简的二维设计，所需的能量比目前最先进的电子芯片要少约10倍。相关成果发表在《自然·电子学》上。

充分利用自旋波的波动性

研究负责人、维也纳大学的安德列·丘马克教授说：“最初计划的磁振子电路非常复杂，现在的版本比最初的设计至少好了100倍。”他把这归因于论文的第一作者，来自中国的王棋。

博士毕业于德国凯泽斯劳滕工业大学，目前在维也纳大学从事博士后研究的王棋介绍说：“该研究源自我博士期间的一个项目，从概念提出、理论计算、仿真设计以及实验制备和测试，整个工作持续了近4年时间，光是仿真设计就重复了几百次，现在这个设计已经是第四个版本。”

接受科技日报记者采访时，王棋介绍说：“目前的电子设备，信息都是用电子携带的，但是电子的定向移动会导致焦耳热，功耗高。我们现在用自旋波(磁振子)来携带信息，进行计算，可以大幅降低功耗。而且由于磁振子是一种波，波的一些特性可用来简化设计，从而降低器件的尺寸。简单地说，波的基本量有振幅和相位，我们的研究中主要用波的振幅来携带信号，即振幅大，信号为1；振幅小，信号为0。”

王棋说：“起初我们的思路是模仿电子设备，通过构造14磁振子晶体管实现半加器，后来发现结构太复杂而且不容易实现。我们意识到还没有充分利用自旋波的波动性。因此，在最新的设计中我们利用了波的干涉，使用了自旋波导之间偶极作用与自旋波能量相关这个非线性效应来实现了半加器的设计。不过出于成本的考虑，整个半加器是在一个二维平面上加工的。目前这个设计只是功耗更低，速度还没有电子芯片快。”

自旋波研究有重要意义

王棋表示，这种磁振子电路的特殊之处在于，其信息由自旋波携带，信息的传播和处理过程中没有电子的参与，因此没有焦耳热，极大地降低了能量损耗。另一方面，通过利用波的干涉、衍射和非线性效应，又极大地简化了器件的设计。王棋说：“典型的半加器在电子芯片中需要14个晶体管，而我们的设计中只需要3根彼此靠近的纳米线。”

王棋说：“目前的计算机都是建立在布尔体系(逻辑运算)之下的，我们的研究让人们看到了波的波动性的潜力，对于非布尔体系的计算，波比电子有很大的优势。目前的研究思路还是在和布尔体系下的电子计算机相比，这种情况下波的优势没有完全显现出来，将来我们要跳出布尔体系。”

丘马克教授认为，磁振子电路在量子计算和类脑的神经网络计算等方面有广阔的应用前景。自旋波无热耗散、容易实现室温玻色——爱因斯坦凝聚等宏观量子效应的优点正在得到越来越多的关注。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。因此，自旋波研究具有重要的科学意义和应用潜力。

(《科技日报》2020年10月23日第 2  版。)