磁振子器件的雜訊研究：向實用化邁出重要一步！

導讀

近日，美國加州大學河濱分校的工程師們首次通過研究與磁振子流傳播相關的雜訊水平，朝著開發實用的磁振子器件邁出了重要的一步。

背景

如今，幾乎所有的電子器件都是基於金屬導體或者半導體中的電荷流動。在這些材料中，電子運動時會經歷散射，從而導致電阻、發熱和能量耗散。電流流過導線或者半導體時，會不可避免地發熱，引起能量損耗。電子器件與晶元變得越來越小，而其中的晶體管密度卻越來越高，從而加速了發熱引起的能量損耗。目前，基於電荷的傳統晶體管，幾乎已經逼近其物理極限，尺寸無法再縮小。

值得慶幸的是，電子除了電荷這一特性，還有另一種與生俱來的量子物理特性：「自旋」。它可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。自旋著的微小粒子，就像圍繞著它們自己的軸持續地旋轉，從而創造出了可用於傳輸或存儲信息的磁矩。

在序磁性（鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁）體中相互作用的自旋體系，由於各種激發作用會引起一種稱為「自旋波」的集體運動，這是一種發生於磁性材料中的特殊波。

在現代固態物理中，「自旋」和「磁」這兩個概念通常密不可分。因此，自旋波的元激發又稱為「磁振子（magnon）」，它是指在特定磁性材料中與磁波或者自旋波相關的准粒子。磁振子並不是像電子一樣的真實粒子，但是它們表現得像粒子，也可以被當成粒子。

自旋波，可通過電絕緣材料傳輸能量，無需移動任何電子，就像體育場中人們掀起的人浪一樣。這意味著，磁振子的傳播不會產生很多熱量並損耗很多能量。

磁振子流可以取代電流（電荷流動）作為信息載體，有點類似聲波沿著磁性材料傳播。此外，磁振子也為基於自旋波的計算提供了可能性，這種計算為邏輯數據處理提供了更多選項。

磁振子邏輯器件能進行基本邏輯操作，通過自旋流的「疊加」處理信息，例如荷蘭格羅寧根大學開發的基於磁振子的自旋晶體管，以及德國美因茨大學、德國康士坦茨大學、日本東北大學的科研人員開發的用於磁振子邏輯結構的新元件：自旋閥（spin valve）。

基於磁振子的自旋晶體管（圖片來源：L. Cornelissen)

自旋閥結構（圖片來源：Joel Cramer）

基於磁振子流的器件有望改變電子行業，帶來尺寸更小、發熱更少、性能更好的新一代電子器件。但是，科學家們需要更好地理解如何控制它們。

創新

近日，美國加州大學河濱分校的工程師們首次通過研究與磁振子流傳播相關的雜訊水平，朝著開發實用的磁振子器件邁出了重要的一步。

技術

雜訊，或者說電流中的波動，是衡量電子器件是否適合實際應用的重要指標。因此，雜訊影響著器件的性能，更好地理解充滿雜訊的磁振子，有助於工程師們開發更好的器件。

這種稱為「磁振子學」的電子學新領域，嘗試通過磁振子流而不是電流，創造出處理和存儲信息的器件以及感知應用。雖然電子的雜訊已經有很長時間的歷史，但是迄今為止還沒有人研究過磁振子的雜訊。

加州大學河濱分校電氣與計算機工程系傑出教授 Alexander Balandin 領導的團隊，創造出一個在發射和接收天線之間生成磁振子流（或者稱自旋波）的晶元。

（圖片來源：Balandin Lab）

實驗表明，磁振子在低功率水平並沒有那麼多雜訊。但是在高功率水平，雜訊變得不同尋常，受控於廣泛的波動，研究成員們稱之為「隨機電報信號雜訊」，它將影響器件的性能。這種雜訊與電子製造的雜訊顯著不同，而且說明了構造磁振子器件所存在的限制因素。

價值

Balandin 表示：「磁振子器件應該更好地工作在低功率水平。我們可以說，磁振子的雜訊是很小的，但是在特定功率閾值之上，變成高且離散的。這構成了磁振子器件的審慎魅力。我們成果也告訴了我們保持低雜訊水平的策略。」

這種非同尋常的雜訊特性的發現會束縛磁振子器件的開發嗎？Balandin 表示：「不，信息處理的目標就是走向低功率。」

未來

就目前而言，為了理解基本原理，Balandin 的研究小組正在開展通用組件的實驗。他們的首個實驗器件相對較大。他們計劃研究磁振子雜訊的物理機制，並測試這種器件尺寸充分縮小的版本。

關鍵字

自旋、電子、磁振子

參考資料

【1】https://news.ucr.edu/articles/2019/03/04/magnonic-devices-can-replace-electronics-without-much-noise

【2】S. Rumyantsev, M. Balinskiy, F. Kargar, A. Khitun, A. A. Balandin. The discrete noise of magnons. Applied Physics Letters, 2019; 114 (9): 090601 DOI: 10.1063/1.5088651

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