自旋電子低功耗芯片

實際上，用氫離子注入控制磁性的方法并不是個新創意，但是以電壓控制的方式在固體設備上，實現正面改變磁性就是一次重大的飛躍，為芯片領域開辟了全新的研究方向

隨著摩爾定律的逐漸失效，傳統基于電荷的電子器件將在不遠的未來消失，低功耗信息技術的開發迫在眉睫。在最新一期的《自然材料》雜志上，麻省理工和布魯克海文國家實驗室的工作人員發表最新研究成果，他們發現了通過對自旋電子施加電壓，進而控制微芯片磁力的新方法。這一技術開辟了商用存儲、計算、傳感設備等領域研究的新方向。相比現有技術，它可以降低更多的功耗，同時攻克了該領域中的多項技術難題。

自旋電子技術

由于硅基微芯片臨近基礎物理極限，想要超越它們的能力范圍，進一步提升性能，同時降低自身能耗，研究者們探索了多種避開這些局限的新方法。其中最具價值的方法是一種稱為“自旋電子學”的方法，它利用電子旋轉的性能，替代了電荷的存儲功能。本質上，電子器件依賴于電荷產生二進制0或者1的計算機數據，然而自旋電子器件依賴于自旋特性，通過“上”或者“下”的電子自旋方向將二進制數據記錄于材料中。人們經常將電子自旋類比于地球自轉。地球自轉時產生自轉角動量，自旋也有角動量，并且，因為電子攜帶負電荷，電荷轉動會形成電流，電子自轉的效應便相當于一個小電流圈，小電流圈的效果又相當于一個具有南極北極的小磁鐵。

因為自旋電子器能夠在無任何外力供電的情況下，只需施加微弱電壓，就能保持自身的磁性，而現有的硅芯片卻很難做到這一點。得益于自旋相干效應，在理想條件下自旋電路中只會產生自旋電流而沒有電荷電流，所以自旋電子可以做到低功耗和散熱快，能夠有效解決現在困擾電子產品的一大難題。不過自旋子電子技術也存在一些弊端。比如無法通過外加電場，簡單迅速地控制材料的磁性，還有自旋的長程傳輸和自旋方向的調控和探測。目前，全球許多研究機構正在努力解決這些問題。

在此前的研究中，大多集中使用類似于電容材料的結構，使金屬磁鐵與絕緣體之間界面上的電子積聚。而積聚的電荷的確可以改變材料的磁性，但只能改變一小部分，所以這種方法無法應用于實際操作。還有一些研究是嘗試用離子代替電子來改變磁性。比如，氧離子被用于氧化磁力材料的薄膜層，材料磁性發生了極大的改變。可是，氧離子的輸入與輸出會導致材料的膨脹和收縮，造成機械損傷，這樣重復幾次材料就會損壞嚴重，所以這種方法也是毫無用處的。

研究人員表示：“這一新發現論證了用氫離子替代過去應用氧離子的可行性。”因為氫離子相比氧離子更小，氫離子能夠輕松的注入自旋電子的晶體結構材料中，新系統運行更加迅速并且不會損壞材料的結構。研究團隊經過實驗發現，這一過程即使重復2000次依然不會發生材料退化的現象。

不同于氧離子，氫離子可以輕松通過金屬涂層，讓研究人員們能夠把握此材料更深層的材料特性，這是其他方法難以做到的。當你對磁鐵注入氫氣，它的磁力就會開始旋轉，實際上施加電壓就可以改變磁力90度，并且是完全可逆的。因為磁鐵的兩極方向用于存儲信息，這就意味著有可能運用這項技術在自旋電子材料中輕松輸入和抹去信息。

研究人員Beach 曾領導團隊在數年前提出了通過氧離子改變材料磁特性的方法，該研究在當時就曾引發過一次關于“磁離子學”的研究浪潮。未參與此項研究的明尼蘇達大學化學工程和材料科學系教授 Chris Leighton 表示：“這項研究真的是芯片領域的一次重大突破。目前，全球的研究機構對通過電壓控制材料磁性的方法都十分感興趣，這不僅僅是一項重要的基礎科學研究，而且它可能是一項改變游戲規則的科技，因為這種磁力材料將用于存儲和處理信息。”

項目研究人員 Leighton 表示，實際上用氫離子注入控制磁性的方法并不是個新創意，但是以電壓控制的方式在固體設備上，實現正面改變磁性就是一次重大的飛躍，為芯片領域開辟了全新的研究方向。事實上，控制材料特性的簡單方法一直是材料領域的研究人員一直在追求的目標。起效快速、壽命超長的技術，就是該領域的完美杰作。

水蒸氣的啟發

其實，這次的發現純屬偶然。在一次嘗試控制多層磁材料特性的實驗中，研究人員Tan 發現自己的實驗結果在不同的日期居然有很大的變化。他在排除所有其他可能之后，最終確定：空氣中的濕度越高，實驗結果越好。他進一步意識到，空氣中的水分子在材料表面被分解為氫原子和氧原子，氧原子消散，氫原子變成氫離子，滲透進入了材料深層，并改變了其特性。

巨磁電阻的發現是自旋電子學的開端。在自旋閥器件中，如同三明治一般，兩層鐵磁材料間是一層非磁性材料，當施加外部磁場時，兩層磁性物質間的磁化方向的異同會導致整個器件的電導率會有一個數量級的差別。將中間層換為非磁性的絕緣體后，電導率的差別會更大。這種巨磁電阻材料可以應用在磁場傳感器、磁阻隨機存儲器中。

而此次研究團隊推出的材料是多層三明治夾心結構，包括磁性鈷層，而鈷層又被鈀或鉑金屬層、釓氧化物層和用來導電的黃金層包裹。只要對該材料短暫施加電壓，就可以改變其磁性，而切斷電源后磁性不會改變。想要刪除信息，只要讓材料兩端短路即可。而傳統存儲芯片必須持續供電才能維持信息，這正是新材料能降低功耗的根本原因。

實驗室原型，可能在數年內問世，但商業化的存儲芯片可能要更長的時間。這一技術的應用，將大幅提升計算設備的運行效率、速度和存儲容量都，能量消耗也會隨之降低，并極大延長設備電池的使用壽命。Beach 表示：“以其低功耗和高速擦寫能力，有望在未來成為移動智能設備的首先，可是距離實際應用我們還有許多工作要做。”此外，電子自旋材料不會激發磁場，所以不會對其他器件產生干擾，處理的數據也難以被監視。

編譯自《麻省理工科技評論》