具有磁性准粒子的二維電路

無論是智能手機，電腦還是透析機 – 它們均是內部帶有晶元和電子元件的電子設備。單個電路元件通常使用三維所謂的橋結構進行布線。

目前，凱撒斯勞滕技術大學（TUK）的物理學家們正在研究一種更有效的變化方式，即，使用特定的准粒子來代替電子。他們首次在一個初始模型中表明，在一個集成的磁振子電路中，磁振子電流是可能的，在這種情況下，這些元件僅被二維連接。這些研究已經發表在Science Advances上的一篇論文中（「Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler」）。

美國工程師傑克·基爾比（Jack Kilby）在20世紀60年代開發出了集成電路，這帶來了了技術革命。這種技術最初是在一台袖珍計算器中組裝起來的，隨後不久，計算機就取得了勝利，從那時起，處理器越來越小。

據TUK物理系Burkard Hillebrands教授領導的磁性研究小組負責人Andrii Chumak副研究員說，「這些電路為當今的消費電子產品奠定了基礎」。基爾比在2000年被授予諾貝爾物理學獎，現在被稱為微晶元之父。

本論文第一作者Qi Wang

在目前的研究中，本論文的第一作者、Chumak博士的博士學生Qi Wang正在研究新一代電路。「信息可以以固有角動量的形式傳輸。Chumak繼續說到。「這些量子粒子是磁振子。」與電子相比，它們可以傳輸更多的信息，並且所需的能量要少得多，而且產生的熱量也更少。這使得他們在很多方面吸引人的興趣，例如更快、更高效率的計算機，特別是在移動應用程序方面。

在現在發表的研究中，科學家們第一次描述了所謂的磁振子集成電路，其中信息是通過這些粒子傳送的。在這種情況下，如同電子電路的情況那樣，連接各個開關元件需要導體和線路交叉。研究人員們已經設法在他們的模擬中開發出這樣一個磁振子結點。

據Qi Wang介紹，「我們已經設法將這一現象納入到我們已經在物理學領域中已知的計算中，並將首次應用於電磁學中」。「當兩個磁振子導體緊密地放置在一起時，這些波傳播至一個互相連接的確定的點，這意味著波的能量將從一個導體傳遞到另一個導體。」這已經被用於光學應用相當長一段時間了，例如在光纖之間傳輸信息。

由Humak領導的「Hillebrands磁性小組」，由「Nano-Magnonic」團隊組成的子團隊以一種新穎的方式利用了這種方法將電路元件連接到一個晶元上。這些新的模擬結果的特別之處在於，它們可以用作沒有任何三維橋結構的節點。節點在經典電子學中是必要的，它可以保證幾個元素之間的電子流動。

Qi Wang說：「在我們的電路中，我們使用二維連接，其中磁振子導體只需要放置得足夠靠近彼此。」這個連接點被稱為定向耦合器。研究人員們現在打算在這個模型的幫助下，設計出第一個磁電路。

對於未來的計算機組件的生產，這些新穎的電路可以大大節省材料，從而節約成本。除此之外，模擬元件的尺寸在納米範圍內，這與現代電子元件相當；但是，使用磁振子的電路的信息密度要大得多。

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