純磁振子集成電路的工作原理

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凱澤斯勞滕科技大學（TUK）和維也納大學的研究人員成功地構建了一個計算機電路的基本組成部分，用磁振子代替電子傳遞信息。《Nature Electronics》雜志上所描述的“磁振半加法器”只需要三根納米線，而且比最新的計算機芯片能耗低得多。

一組物理學家正在為尋求更小、更節能的計算打下一個里程碑：他們開發了一個集成電路，使用磁性材料和磁子來傳輸二進制數據，這是構成當今計算機和智能手機的基礎的1和0。

這種新的電路非常微小，采用流線型的二維設計，比目前最先進的采用CMOS技術的計算機芯片所需能量少10倍。雖然目前的磁振子結構不如CMOS快，但成功的演示現在可以進一步用于其他應用，如量子或神經形態計算。

? 成功的合作

這個原型是安德烈·丘馬克（Andrii Chumak）歐洲研究委員會（ERC）啟動資助的四年努力的結晶，并與TUK大學的Philipp Pirro博士和目前在維也納大學博士后的Wang博士密切合作。丘馬克教授在杜克大學開始了這項工作，現在領導著維也納大學的一個研究小組。

純磁振子集成電路的工作原理及未來應用

丘馬克說：“我們非常高興，因為我們成功地完成了幾年前的計劃，而且效果比我們預期的還要好。”當他第一次提出磁振子電路時，他的設計非常復雜，他認為這篇論文的主要作者王功權使設計“至少改進了100倍”。

丘馬克說：“我們現在看到，磁電子電路可以和CMOS一樣好，但如果你想觸發工業，這可能還不夠。我想你至少得比它小100倍，速度更快。但這一電路為二進制數據以外的其他領域提供了絕佳的機會，例如在非常低的溫度下進行量子磁計算。”

皮爾羅補充道：“我們也有興趣為受大腦功能啟發的神經形態磁共振計算機調整電路。”

? 工作原理

這些納米電路元件的尺寸不到一微米，比人的頭發還薄，即使在顯微鏡下也幾乎看不見。它包括三根納米線，由一種叫做釔鐵石榴石的磁性材料制成。這些導線彼此精確定位，形成兩個“定向耦合器”，引導磁振子穿過導線。磁振子是自旋波的量子，把它們想象成投進巖石后池塘表面的漣漪，但在這種情況下，波是由量子水平上固體材料的磁序扭曲而形成的。科學家們花了大量的時間和精力找出最佳的納米線長度和間距，以產生預期的結果。

在第一個耦合器處，兩根導線非常接近，自旋波被分成兩半。一半進入第二個耦合器，在那里它在導線之間來回跳躍。根據振幅的不同，波將從頂部或底部導線退出，分別對應于二進制“1”或“0”。由于電路包含兩個方向耦合器，將兩個信息流相加，因此形成了一個“半加法器”，這是計算機芯片中最通用的組件之一。數百萬個這樣的電路可以組合起來進行越來越復雜的計算和功能。

皮爾羅說：“普通計算機通常需要數百個元件和14個晶體管，而這里只需要三根納米線、一個自旋波和非線性物理。”