意想不到吧？新研究利用「電子自旋」可為設備供電！

基於美國空軍開發現場充電最少的技術設備需要，德克薩斯大學聖安東尼奧分校(UTSA)正在利用量子科學和工程原理，建造一種基於石墨烯的邏輯設備。這項新技術將提高從手機到電腦等依賴電池的設備能源效率。UTSA電氣工程助理教授伊森?安(Ethan Ahn)表示：我們正在開發幾乎不需要電池就能運行的設備。UTSA工程師們正在使用自旋電子學，即研究電子內在量子力學特性的自旋學，使低功耗操作成為可能，並在量子計算中得到應用。

博科園：電子是一種很小但非常強的磁鐵，想像一下，一個電子繞著它自己的軸旋轉，向上或向下。傳統技術設備使用電子電荷來發電。在自旋電子學中，研究人員正在利用電子固有的自旋作為一種新能量來源。用這種新方法，設備將需要更少的電子來運作。然而，利用自旋的力量也有一些障礙。在利用電子自旋來傳輸信息的量子計算中，研究人員面臨的挑戰是如何儘可能有效地捕獲自旋。如果有100個電子注入通道來驅動下一個邏輯電路。

可能只能使用一兩個自旋，因為注入效率非常低，這是98%的自旋損失。為了防止自旋損失，Ahn提出了利用納米材料作為自旋輸運通道和隧道屏障的「零功率碳互連」新思路。這些納米材料就像一張紙，一個只有幾納米厚度的二維碳原子層，是自旋注入設備的接觸點，原型是一個用還原氧化石墨烯層構建的互連體。這很新穎，因為正在使用石墨烯，一種納米材料，來增強自旋注入。通過控制石墨烯層上氧化物的數量，可以微調電子的導電性。

德克薩斯大學聖安東尼奧分校(UTSA)正在利用量子科學和工程學的原理，建造一種基於石墨烯的邏輯器件。這項新技術將提高從手機到電腦等依賴電池的設備能源效率。圖片：UTSA

石墨烯具有廣泛的吸引力，因為它是世界上最強的納米材料。事實上，石墨烯室溫電導率高於任何其他已知材料。如果成功的話，和在德克薩斯大學奧斯汀分校和密歇根州立大學的合作者正在創造零功率碳互連將被集成到計算機晶元的邏輯組件中。該設備一旦研發成功，將提交給美國空軍科學研究辦公室，該辦公室正在用一筆為期三年的撥款支持UTSA研究工作。軍方需要更小的設備，可以在不需要充電的情況下在偏遠地區作業。如果零功耗碳互連成功。

將提高石墨烯自旋子的效率——這是推進下一代低功耗電子產品(如量子計算)的關鍵一步。這種互聯也可能對雲計算行業大有裨益，根據數據知識中心的數據，僅亞馬遜網路服務等按需雲計算平台就消耗了全國約2%的能源。如果「零能耗碳互連」取得成功，像Netflix或host data這樣提供流媒體服務的雲伺服器就可以運行得更快、耗電量更少。

博科園-科學科普｜研究/來自: 德克薩斯大學聖安東尼奧分校/Milady Nazir

參考期刊文獻:《Nature Astronomy 》

DOI: 10.1038/s41550-019-0723-1

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