在極其簡單的材料中產生超短自旋波！

自旋電子學具有使計算機運行速度更快、智能手機運行效率更高的潛力，因此被認為是未來電子領域一個很有前景的概念。在包括馬克斯·普朗克智能系統研究所(MPI-IS)和亥姆霍茲- zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)在內的合作中，一組研究人員現在已經成功地產生了所謂的自旋波，比以前認為的更容易、更有效。研究人員在《物理評論快報》上發表了他們的研究結果。現代計算機晶元是基於電荷傳輸，每個處理事件都導致電子電流在電子元件中流動。

博科園-科學科普：這些電子遇到電阻，產生不需要的熱量，晶元上的結構越小，散熱就越困難。這種基於電荷架構也是處理器時鐘速率多年來沒有顯著增長的部分原因。晶元性能和速度的穩定發展曲線正在趨於平緩。HZDR離子束物理與材料研究所的Sebastian Wintz博士解釋說：現有概念已經達到極限；這就是為什麼我們正在研究一種新的策略——自旋波。這種方法不再涉及電荷的傳輸，而是只傳輸磁性材料中電子的固有角動量(自旋)。電子本身保持靜止，只有自旋發生變化。

由於相鄰電子的自旋相互感應，一個自旋變化可以傳播到相鄰電子。結果是磁性信號像波一樣穿過材料——自旋波。自旋驅動組件的優勢在於，它們產生的熱量非常少，這意味著它們可能會消耗更少能源——這對智能手機等移動設備來說非常有趣。由於自旋波的波長比類似電磁信號要短得多，例如在移動通信中，也有可能使某些應用的元件進一步小型化。這意味著我們可以在晶元上安裝能比現在更多的電路。

用磁渦流引起自旋波

在能做到這一切之前，首先需要更多的基礎研究。例如需要知道如何有效地產生自旋波。專家們試圖解決這個問題已經有一段時間了，將微米大小的金屬條連接到薄磁性層上。交流電通過這條帶產生磁場被限制在一個非常小的空間。這個磁場會激發磁層中的自旋波。但是這種方法有一個缺點：很難使產生的自旋波波長小於金屬條寬度，這不利於納米結構高度集成元件的發展。

然而，還有另一種選擇：一種形狀為圓形圓盤的磁性材料能喚起磁渦旋的形成，而磁渦旋的核心尺寸不超過10納米。磁場可以使渦旋核發生振蕩，從而在這一層觸發自旋波。一段時間以前，需要相對複雜的多層材料來實現這一點。現在已經成功地用一種非常簡單的材料從渦旋核心發出了自旋波，研究人員使用一種易於製造的鎳鐵合金層，厚度約為100納米。

出乎意料的短波長

值得注意的是產生自旋波的波長只有80納米，在MPI-IS的博士論文中對這一現象進行了研究的Georg Dieterle博士說：專家們對在如此簡單的材料中做到這一點感到驚訝，我們也沒想到能在低千兆赫的頻率範圍內產生這樣的短波。專家認為短波長的原因在於它們傳播的方式。自旋波靠近鎳鐵層的橫截面中心，形成一種「結」，其中磁方向只上下振蕩，而不是沿著通常的圓形軌跡。為了使這些現象可見，研究小組在柏林亥姆霍茲中央區的電子儲存環BESSY II上使用了一種特殊的x射線顯微鏡。

MPI-IS主任吉塞拉·舒茨(Gisela Schutz)教授強調說：這是地球上唯一一個提供必要空間和時間解析度的地方。沒有這台顯微鏡，就無法觀察到這些效果。現在專家們希望他們的研究結果將有助於進一步發展自旋電子學。迪特爾說：例如渦旋核可以作為一個局部、可控的源，用來探索潛在的現象，並利用自旋波成分開發新的概念，觀察到的自旋波可能在未來與高度集成電路有關。

博科園｜研究/來自: 亥姆霍茲德國研究中心協會

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.117202

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