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反鐵磁自旋電子學來襲,量子計算要給計算機性能飆升!

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近日,加利福尼亞大學河濱分校(UC Riverside)傳來好消息,該校獲得了近400萬美元的科研資金,將牽頭開展一項關于反鐵磁自旋電子學的重要研究。這項研究瞄準的是一種極具潛力的前沿技術,有望徹底改變我們的存儲和計算方式。



與傳統的電子技術不同,反鐵磁自旋電子學利用電子的量子自旋特性來存儲和處理信息,這能讓存儲速度更快、密度更高。當下,半導體微電子行業一直在尋找新材料、新現象和新機制,推動技術不斷進步,而反鐵磁自旋電子學就為其帶來了新的希望。

在接下來的三年里,UC Riverside將聯合加州大學圣地亞哥分校、加州大學戴維斯分校、加州大學洛杉磯分校以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科研人員,共同探索反鐵磁材料的奧秘。這些材料因其超快的自旋特性而備受關注,科學家們希望借助它們突破現代微電子技術的局限。



自旋電子學,簡單來說,就是除了利用電子的電荷,還利用電子的量子自旋屬性來處理信息的技術。目前,內存芯片和硬盤中常用的是基于鐵磁材料的技術,而反鐵磁自旋電子學比它更有優勢。在鐵磁材料里,電子自旋方向一致,會產生凈磁矩;但反鐵磁材料中,電子自旋方向是交替的,沒有凈磁矩。別小看這個特點,正是因為沒有凈磁矩,相鄰存儲單元之間不會相互干擾,所以反鐵磁材料的存儲密度更高。而且,反鐵磁材料的自旋動力學速度更快,信息寫入速度也更快,這都要歸功于一種叫“交換相互作用”的量子效應。



反鐵磁材料的應用還不止于存儲。在計算領域,特別是“磁性神經網絡”方面,它也展現出了巨大潛力。有一種特殊的反鐵磁材料——易面反鐵磁體,它能以極小的能量損耗將自旋脈沖傳輸很長距離。這些自旋脈沖就像生物神經網絡中的信號一樣,可以在多個神經層之間傳遞信息,這是因為材料中存在一種叫“自旋超流性”的量子態,能讓自旋脈沖高效傳輸。

此次名為“用于先進存儲和計算的反鐵磁自旋電子學”的研究項目,將深入探究這些特殊的反鐵磁材料。研究人員會利用UC Riverside以及勞倫斯伯克利國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室的先進設備開展實驗,還有不少博士后和研究生也會參與其中。雖然這項研究面臨諸多挑戰,比如材料的設計和合成難題,但科研團隊憑借在反鐵磁材料合成方面的專業技術,對攻克難關充滿信心。

相信在科研人員的努力下,反鐵磁自旋電子學技術能取得重大突破,未來,我們的計算機或許會因這項技術變得速度超快、存儲量大,給我們的生活帶來更多驚喜!

參考資料:《the-quantum-spin-breakthrough-that-could-supercharge-computing》

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