摘要：计算机芯片的能耗困境正迫使科学家重新审视信息传输的基本方式。特拉华大学工程师团队的最新理论研究揭示了一种出人意料的物理现象：在反铁磁材料中传播的磁自旋波——磁子——能够直接产生可测量的电信号。这项发表在《美国国家科学院院刊》的研究，不仅证明了磁子可被电场控制和
计算机芯片的能耗困境正迫使科学家重新审视信息传输的基本方式。特拉华大学工程师团队的最新理论研究揭示了一种出人意料的物理现象：在反铁磁材料中传播的磁自旋波——磁子——能够直接产生可测量的电信号。这项发表在《美国国家科学院院刊》的研究，不仅证明了磁子可被电场控制和检测，更指向了一种全新的计算架构可能性：将磁性系统与电气系统无缝融合，从而制造出运行速度快千倍、能耗却大幅降低的下一代芯片。
当前硅基芯片面临的根本挑战在于电子传输的固有局限。电子在导体中移动时必然遭遇电阻，这种阻力将电能转化为热量，不仅浪费能源，更限制了芯片的运算速度和集成密度。数据中心巨大的冷却需求和智能手机的发热问题，都源于这一物理瓶颈。磁子作为信息载体的优势在于，它通过电子自旋方向的集体振荡传递信息，而非电荷的实际移动，从而避免了传统电流传输中的能量损耗。
特拉华大学混合、活性与响应材料中心的研究团队，通过先进的计算机模拟发现，当磁子在反铁磁材料中传播时会自发产生电极化现象。这一意外发现建立了磁性信息载体与电气测量系统之间的直接桥梁,为实用化的磁子器件扫清了关键技术障碍。更重要的是，研究揭示出外加电场——包括光的电场——可以用来控制磁子的运动轨迹，这为设计全新的信息处理架构开辟了道路。
反铁磁材料的独特优势
理解这一突破需要从磁子的物理本质说起。电子具有一种称为"自旋"的内禀性质，可简单想象为微小的磁针指向。在普通铁磁体如铁中，所有电子自旋整齐排列指向同一方向，形成宏观磁场。而在反铁磁材料中，相邻电子的自旋呈上下交替排列，整体磁性相互抵消。
特拉华大学材料科学与工程系教授马修·多蒂用弹簧连接的旋转系统来比喻磁子的形成机制："想象所有自旋之间由弹簧连接。当你偏转一个自旋，就像拉动弹簧，这个扰动会传递给下一个自旋，然后是下一个。这就像拨动连接紧密的线圈，一个波会沿着它传播。"这种自旋波就是磁子。
反铁磁材料对计算技术的吸引力在于其超快的动力学特性。由于相邻自旋的强烈反平行耦合，这类材料中的磁子可以在太赫兹频率范围传播——频率达到每秒万亿次振荡。这比传统铁磁体中的磁子快约一千倍，意味着信息传输速度可以提升三个数量级。然而，正因为上下自旋相互抵消，反铁磁材料产生的净磁场极其微弱，使用传统磁性测量手段难以探测和操控其中的磁子，这一直是该领域的核心挑战。
研究团队的突破点在于发现了一种全新的检测机制。博士后研究员D. Quang To及其同事通过精密的理论建模揭示，当磁子在反铁磁材料中移动时，会产生可测量的电极化——即材料内部产生电荷分布的不对称性，进而产生电压信号。多蒂教授解释道："我们的结果预测，可以通过测量磁子产生的电极化来检测磁子。更令人兴奋的是，这意味着我们有可能利用外部电场来控制磁子的运动。"
轨道角动量的关键作用
特拉华大学的工程师已经证明，称为磁子的磁波可以产生电信号，从而弥合计算中的两种关键力量。他们的工作指向通过消除能源浪费来更快、更高效地运行的芯片。图片来源：Shutterstock
研究深入探讨了磁子的一个此前被忽视的性质——轨道角动量。除了自旋本身的角动量，磁子作为一种准粒子还携带轨道角动量，这反映了波的圆周运动特性。To作为论文第一作者，开发了一套数学框架来描述轨道角动量如何影响磁子的整体行为。
"我们发现，当磁子的轨道角动量与材料中的原子相互作用时，会产生电极化，"To说道。这一相互作用机制源于相对论量子力学中的自旋-轨道耦合效应。在材料的晶格环境中，电子的轨道运动和自旋状态并非独立，而是通过相对论性的量子效应发生耦合。当磁子——本质上是自旋的集体激发——在材料中传播时，其携带的轨道角动量通过自旋-轨道耦合转化为电荷的空间分布不均，从而产生宏观可测的电极化。
研究团队通过模拟磁子在温度梯度驱动下的行为来验证这一理论框架。他们考察了当材料一侧被加热而另一侧保持较冷时的情形。在这种非平衡条件下，磁子会从高温区流向低温区——这种现象类似于热电效应中电荷载流子的行为。关键发现是，这种定向的磁子流会产生与温度梯度垂直的电压信号，研究人员将其命名为"磁子能斯特效应"，对应于电子系统中已知的能斯特效应。
这一效应的量化预测为实验验证提供了明确目标。研究给出了在典型反铁磁材料中，特定温度梯度下预期产生的电压大小，以及这一信号与材料性质、磁子频率的依赖关系。这些定量预测使得实验物理学家能够设计精确的测量方案来检验理论模型。
从理论到实验的转化
尽管这项工作目前仍停留在理论和计算模拟阶段,特拉华大学团队已经启动了相应的实验验证计划。将理论预测转化为可观测的实验现象面临多重技术挑战。首先是材料制备——需要生长出高质量的反铁磁薄膜,其晶体结构和化学组成必须精确控制,以确保磁子能够以预测的方式传播。其次是测量技术——检测微弱的磁子诱导电信号需要极高灵敏度的电压测量装置,同时必须排除各种噪声干扰。
研究团队选择的实验路径包括两个方向。一是通过热梯度驱动磁子流动,然后测量横向产生的电压信号,直接验证磁子能斯特效应的存在。这种方法的优势在于实验装置相对简单,但挑战在于信号可能很微弱,需要精密的低温测量技术和信号处理方法。二是利用微波激发在材料中产生特定频率的磁子,然后通过时间分辨的电压测量来追踪磁子的传播和衰减过程。
更具前瞻性的研究方向是探索光与磁子的相互作用。研究团队计划研究光的轨道角动量——一种与偏振相关的光学性质——是否可以用来激发或探测磁子。如果这一设想得以实现,将开启用光来操控磁性信息的全新可能性。光子作为信息载体具有超高速度和低能耗的天然优势,如果能实现光-磁子-电信号的三向转换,将为光电磁混合计算架构奠定基础。
研究团队的成员构成体现了这一课题的跨学科特性。除了理论物理学家和材料科学家,团队还包括实验物理学家如副教授M. Benjamin Jungfleisch,他专长于微波频段的自旋动力学测量;以及工程教授Joshua Zide,他的专业是分子束外延技术,能够制备原子层级精度控制的复杂磁性材料。来自美国国家标准与技术研究院的Garnett W. Bryant则为模拟计算提供了关键的算法支持。
重新定义计算架构的潜力
这项研究的长远意义在于为后硅时代的计算技术提供了一种可行方案。过去几十年,芯片性能的提升主要依靠晶体管尺寸的缩小——即摩尔定律所描述的路径。然而当晶体管接近原子尺度,量子效应和制造成本都成为难以逾越的障碍。业界正在寻找全新的物理机制来延续计算能力的增长。
磁子学——利用磁子作为信息载体的技术——被认为是最有希望的替代方案之一。与传统电子学相比,磁子学的优势是多方面的:首先是能效,磁子传输几乎不产生焦耳热;其次是速度,特别是在反铁磁材料中可达太赫兹频率;第三是可扩展性,磁性纳米结构可以制作得非常小而不失去功能。但磁子学面临的根本挑战一直是如何与现有的电子学基础设施兼容。
特拉华大学的发现恰好为这一兼容性问题提供了解决思路。既然磁子可以产生电信号,也可以被电场控制,就有可能设计出混合器件:信息在芯片的某些部分以磁子形式高速低耗传输,而在需要与外部电路接口或进行某些特殊操作时转换为电信号。这种混合架构兼具磁子学和电子学的优势,可能是最现实的技术路径。
多蒂教授展望道:"未来用磁性导线取代传统电线的设备可以更快地发送信息,并且浪费的能源要少得多。"这一愿景的实现还需要解决诸多技术细节,包括磁子源的高效激发、传输过程中的相干性保持、不同频率磁子之间的相互作用控制等。但理论框架的建立和基本物理机制的阐明,已经为这些工程挑战的攻克指明了方向。
这项研究也是美国国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心项目的重要成果。该中心的使命是开发在太赫兹频率工作的混合量子材料,这一频率范围恰好位于电子学和光子学之间的"太赫兹空隙",是下一代无线通信、成像和传感技术的关键波段。磁子学在太赫兹频段的独特优势,使其不仅在计算领域,在通信和传感领域也展现出广阔应用前景。
从更宏观的视角看,这一研究体现了基础物理研究与技术创新之间的深刻联系。磁子的概念源于1930年代的量子理论,自旋-轨道耦合是相对论量子力学的预言,而这些抽象的理论概念如今正在转化为可能改变计算技术格局的实用方案。这再次印证了基础研究的长期价值——今天看似玄奥的物理原理,可能成为明天技术革命的基石。
来源：人工智能学家
