电流控制量子自旋用于新型计算

超越电荷：用自旋进行计算

现代计算基于电荷的操纵——晶体管中电子的存在或不存在编码了所有数字信息处理的1和0。但电子还携带第二种量子特性：自旋，一种量子力学属性，其行为像一个微小磁铁，在磁场中指向"上"或"下"。自旋电子学是一个致力于构建利用自旋作为信息载体的计算设备的领域，可以与电荷一起使用或代替电荷。

自旋电子器件在能源效率、速度和非易失性信息存储方面具有潜在优势——保持存储数据而无需持续供电。硬盘驱动器磁头已经利用自旋电子学效应，作为传统RAM替代品的磁随机存取存储芯片也是如此，这些应用优先考虑数据保留和能源效率。

研究人员现在已经演示了一种在以前过于不稳定而无法实际利用的平衡点控制电子自旋的新方法，开启了先前方法无法利用的一类自旋电子设备配置。

不稳定点及其重要性

在任何物理系统中，都存在竞争力相互平衡的平衡位置。有些是稳定的——小的扰动会导致系统回到平衡，就像碗中的球。有些是不稳定的——任何小的扰动都会使系统进一步偏离，就像在山顶上平衡的球。

在磁性系统中，不稳定的平衡点在历史上一直被避免用于设备设计，因为它们无法可靠地维持。任何热噪声或电磁干扰都会导致自旋态朝向附近的某个稳定配置崩溃。对于信息存储和处理，无法可靠维持的状态是无用的。

研究团队的突破是发现精心调谐的电流可以在这些以前无法使用的不稳定平衡点稳定自旋态。电流充当连续反馈机制，纠正会导致自旋态偏离的波动。结果是在磁能量景观中先前对设备设计师无法访问的位置上存在受控的稳定自旋态。

实现的新架构

在不稳定平衡点控制和稳定自旋的能力显著扩展了自旋电子工程师可用的设计空间。传统的自旋电子器件被限制在使用稳定的磁态作为信息携带配置。新技术允许围绕整个可能的自旋配置范围（包括提供稳定状态设备无法实现的属性的不稳定点，例如对小输入的极端敏感性或快速切换特性）设计设备。

对于计算应用，这开启了具有补充或超越现有方法特性的自旋电子逻辑门和存储元素的可能性。在不稳定平衡点附近运行的器件可以响应极小的输入信号在状态间切换，可能能够实现超低功耗逻辑运算。切换特性也使此类器件成为神经形态计算架构的候选，其中人工神经元行为与生物神经动态的匹配比传统二进制逻辑更紧密。

走向实用设备的路径

该研究代表概念验证演示而非可部署的技术。转向实用计算设备需要解决围绕设备可重复性、电流稳定机制在工作温度下长期可靠性以及与大规模半导体制造工艺集成的工程挑战。

这些挑战是真实的，但属于半导体行业拥有丰富经验解决的工程问题类型。研究团队演示的物理学提供了概念基础；将其转化为可制造的设备是广泛研究社区和行业合作伙伴需要推进的后续阶段。该发现增加了越来越多的物理现象组合——拓扑绝缘体、二维材料，以及现在电流稳定的自旋态——提供了走向具有常规硅晶体管无法达到的特性的计算元件的路径。

本文基于Phys.org的报道。阅读原文。