新型超高速數據處理方式：採用光取代電，能耗幾乎為零

導讀

據英國蘭卡斯特大學官網近日報道，由該校參與的一支國際科研團隊創造出一種採用光脈衝取代電流的超高速數據處理方式。這項發明採用能耗幾乎為零的磁體記錄計算機數據，解決了在低能耗的條件下實現高速數據處理的難題。

背景

如今，數據中心伺服器消耗了全球2%~5%的電力，併產生出許多熱量，這些熱量需要更多的電力去冷卻。

歐洲核子研究組織（CERN）的數據中心（圖片來源：維基百科）

這個問題十分嚴重。因此，為了讓數據中心保持涼爽，美國微軟公司已經將數百個數據中心潛入到海洋中，利用海水來製冷。

（圖片來源: 微軟）

所有的數據幾乎都是通過磁性硬碟驅動器中微型磁體的朝向，也稱為「自旋」，編碼為二進位數據信息（分別為0或1）。讀/寫磁頭會採用消耗巨大能量的電流，設置或者檢索信息。

（圖片來源：謝菲爾德大學）

創新

近日，一支國際科研團隊在《自然》期刊上發表了一篇論文，通過磁體頂部特殊天線聚焦的極短光脈衝（持續時間僅為萬億分之一秒）取代電流，解決了這個問題。

（圖片來源：參考資料【1】）

這個新方法不僅是超高速的，而且能效很高，以至於磁體的溫度根本不會升高。

研究團隊包括 Rostislav Mikhaylovskiy 博士（之前任職於拉德堡德大學，現在任職於蘭卡斯特大學）、雷根斯堡大學的 Stefan Schlauderer、Christoph Lange 博士以及 Rupert Huber 教授、拉德堡德大學的 Alexey Kimel 教授、俄羅斯科學院的 Anatoly Zvezdin 教授。

技術

他們通過對磁體施加頻率處於遠紅外波段也稱為「太赫茲光譜範圍」的超短光脈衝（持續時間僅為萬億分之一秒），演示了這個新方法。

然而，即使是迄今為止最強大的太赫茲光源也無法提供足夠強的脈衝，來切換磁體的朝向。

這項突破是通過利用自旋與太赫茲電場之間高效的相互耦合機制來實現的，這一機制也是由同一團隊發現的。

然後，科學家們開發和製造了一個位於磁體頂部的非常小的天線，來聚焦以及改善光線的電場。這種最強的局部電場足以在億萬分之一秒內將磁體的磁化強度引導到一個新方向。

（圖片來源：參考資料【1】）

價值

因為這個過程中的每個自旋僅需要一個量子的太赫茲光能量（一個光子），所以磁體的溫度根本不會增加。

Mikhaylovskiy 博士表示：「這種歷史最低紀錄的能量損耗使得這個方案變得可擴展。」

未來

未來的存儲器件也將利用天線結構的卓越的空間定義，帶來同時具有最高能量效率和速度的實用的磁存儲器。

他計劃採用蘭卡斯特大學開發的超高速激光器以及科克羅夫特研究所的加速器（可產生強烈的光脈衝）展開進一步研究，從而能夠切換磁體朝向，並判斷出磁記錄實際且基本的速度和能量限度。

關鍵字

磁、自旋、存儲、太赫茲、能耗

參考資料

【1】S. Schlauderer, C. Lange, S. Baierl, T. Ebnet, C. P. Schmid, D. C. Valovcin, A. K. Zvezdin, A. V. Kimel, R. V. Mikhaylovskiy, R. Huber. Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching. Nature, 2019; 569: 383-387 DOI: 10.1038/s41586-019-1174-7

【2】https://www.lancaster.ac.uk/news/energy-free-superfast-computing-invented-by-scientists-using-light-pulses

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