背景

　　如今，几乎所有的电子器件都是基于金属导体或者半导体中的电荷流动。在这些材料中，电子运动时会经历散射，从而导致电阻、发热和能量耗散。电流流过导线或者半导体时，会不可避免地发热，引起能量损耗。电子器件与芯片变得越来越小，而其中的晶体管密度却越来越高，从而加速了发热引起的能量损耗。目前，基于电荷的传统晶体管，几乎已经逼近其物理极限，尺寸无法再缩小。

　　值得庆幸的是，电子除了电荷这一特性，还有另一种与生俱来的量子物理特性：“自旋”。它可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋着的微小粒子，就像围绕着它们自己的轴持续地旋转，从而创造出了可用于传输或存储信息的磁矩。

　　在序磁性（铁磁、亚铁磁、反铁磁）体中相互作用的自旋体系，由于各种激发作用会引起一种称为“自旋波”的集体运动，这是一种发生于磁性材料中的特殊波。

　　在现代固态物理中，“自旋”和“磁”这两个概念通常密不可分。因此，自旋波的元激发又称为“磁振子（magnon）”，它是指在特定磁性材料中与磁波或者自旋波相关的准粒子。磁振子并不是像电子一样的真实粒子，但是它们表现得像粒子，也可以被当成粒子。

　　自旋波，可通过电绝缘材料传输能量，无需移动任何电子，就像体育场中人们掀起的人浪一样。这意味着，磁振子的传播不会产生很多热量并损耗很多能量。

　　磁振子流可以取代电流（电荷流动）作为信息载体，有点类似声波沿着磁性材料传播。此外，磁振子也为基于自旋波的计算提供了可能性，这种计算为逻辑数据处理提供了更多选项。

　　磁振子逻辑器件能进行基本逻辑操作，通过自旋流的“叠加”处理信息，例如荷兰格罗宁根大学开发的基于磁振子的自旋晶体管，以及德国美因茨大学、德国康士坦茨大学、日本东北大学的科研人员开发的用于磁振子逻辑结构的新元件：自旋阀（spin valve）。

　　基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen)

　　自旋阀结构（图片来源：Joel Cramer）

　　基于磁振子流的器件有望改变电子行业，带来尺寸更小、发热更少、性能更好的新一代电子器件。但是，科学家们需要更好地理解如何控制它们。

　　创新

　　近日，美国加州大学河滨分校的工程师们首次通过研究与磁振子流传播相关的噪声水平，朝着开发实用的磁振子器件迈出了重要的一步。

　　技术

　　噪声，或者说电流中的波动，是衡量电子器件是否适合实际应用的重要指标。因此，噪声影响着器件的性能，更好地理解充满噪声的磁振子，有助于工程师们开发更好的器件。

　　这种称为“磁振子学”的电子学新领域，尝试通过磁振子流而不是电流，创造出处理和存储信息的器件以及感知应用。虽然电子的噪声已经有很长时间的历史，但是迄今为止还没有人研究过磁振子的噪声。

　　加州大学河滨分校电气与计算机工程系杰出教授 Alexander Balandin 领导的团队，创造出一个在发射和接收天线之间生成磁振子流（或者称自旋波）的芯片。

　　（图片来源：Balandin Lab）

　　实验表明，磁振子在低功率水平并没有那么多噪声。但是在高功率水平，噪声变得不同寻常，受控于广泛的波动，研究成员们称之为“随机电报信号噪声”，它将影响器件的性能。这种噪声与电子制造的噪声显著不同，而且说明了构造磁振子器件所存在的限制因素。

　　价值

　　Balandin 表示：“磁振子器件应该更好地工作在低功率水平。我们可以说，磁振子的噪声是很小的，但是在特定功率阈值之上，变成高且离散的。这构成了磁振子器件的审慎魅力。我们成果也告诉了我们保持低噪声水平的策略。”

　　这种非同寻常的噪声特性的发现会束缚磁振子器件的开发吗？Balandin 表示：“不，信息处理的目标就是走向低功率。”

　　未来

　　就目前而言，为了理解基本原理，Balandin 的研究小组正在开展通用组件的实验。他们的首个实验器件相对较大。他们计划研究磁振子噪声的物理机制，并测试这种器件尺寸充分缩小的版本。

　　关键字

　　自旋、电子、磁振子

　　参考资料

　　【1】https://news.ucr.edu/articles/2019/03/04/magnonic-devices-can-replace-electronics-without-much-noise

　　【2】S. Rumyantsev, M. Balinskiy, F. Kargar, A. Khitun, A. A. Balandin. The discrete noise of magnons. Applied Physics Letters, 2019; 114 (9): 090601 DOI: 10.1063/1.5088651