自旋电子低功耗芯片

　　随着摩尔定律的逐渐失效，传统基于电荷的电子器件将在不远的未来消失，低功耗信息技术的开发迫在眉睫。在最新一期的《自然材料》杂志上，麻省理工和布鲁克海文国家实验室的工作人员发表最新研究成果，他们发现了通过对自旋电子施加电压，进而控制微芯片磁力的新方法。这一技术开辟了商用存储、计算、传感设备等领域研究的新方向。相比现有技术，它可以降低更多的功耗，同时攻克了该领域中的多项技术难题。

　　自旋电子技术

　　由于硅基微芯片临近基础物理极限，想要超越它们的能力范围，进一步提升性能，同时降低自身能耗，研究者们探索了多种避开这些局限的新方法。其中最具价值的方法是一种称为“自旋电子学”的方法，它利用电子旋转的性能，替代了电荷的存储功能。本质上，电子器件依赖于电荷产生二进制0或者1的计算机数据，然而自旋电子器件依赖于自旋特性，通过“上”或者“下”的电子自旋方向将二进制数据记录于材料中。人们经常将电子自旋类比于地球自转。地球自转时产生自转角动量，自旋也有角动量，并且，因为电子携带负电荷，电荷转动会形成电流，电子自转的效应便相当于一个小电流圈，小电流圈的效果又相当于一个具有南极北极的小磁铁。

　　因为自旋电子器能够在无任何外力供电的情况下，只需施加微弱电压，就能保持自身的磁性，而现有的硅芯片却很难做到这一点。得益于自旋相干效应，在理想条件下自旋电路中只会产生自旋电流而没有电荷电流，所以自旋电子可以做到低功耗和散热快，能够有效解决现在困扰电子产品的一大难题。不过自旋子电子技术也存在一些弊端。比如无法通过外加电场，简单迅速地控制材料的磁性，还有自旋的长程传输和自旋方向的调控和探测。目前，全球许多研究机构正在努力解决这些问题。

　　在此前的研究中，大多集中使用类似于电容材料的结构，使金属磁铁与绝缘体之间界面上的电子积聚。而积聚的电荷的确可以改变材料的磁性，但只能改变一小部分，所以这种方法无法应用于实际操作。还有一些研究是尝试用离子代替电子来改变磁性。比如，氧离子被用于氧化磁力材料的薄膜层，材料磁性发生了极大的改变。可是，氧离子的输入与输出会导致材料的膨胀和收缩，造成机械损伤，这样重复几次材料就会损坏严重，所以这种方法也是毫无用处的。

　　研究人员表示：“这一新发现论证了用氢离子替代过去应用氧离子的可行性。”因为氢离子相比氧离子更小，氢离子能够轻松的注入自旋电子的晶体结构材料中，新系统运行更加迅速并且不会损坏材料的结构。研究团队经过实验发现，这一过程即使重复2000次依然不会发生材料退化的现象。

　　不同于氧离子，氢离子可以轻松通过金属涂层，让研究人员们能够把握此材料更深层的材料特性，这是其他方法难以做到的。当你对磁铁注入氢气，它的磁力就会开始旋转，实际上施加电压就可以改变磁力90度，并且是完全可逆的。因为磁铁的两极方向用于存储信息，这就意味着有可能运用这项技术在自旋电子材料中轻松输入和抹去信息。

　　研究人员Beach 曾领导团队在数年前提出了通过氧离子改变材料磁特性的方法，该研究在当时就曾引发过一次关于“磁离子学”的研究浪潮。未参与此项研究的明尼苏达大学化学工程和材料科学系教授 Chris Leighton 表示：“这项研究真的是芯片领域的一次重大突破。目前，全球的研究机构对通过电压控制材料磁性的方法都十分感兴趣，这不仅仅是一项重要的基础科学研究，而且它可能是一项改变游戏规则的科技，因为这种磁力材料将用于存储和处理信息。”

　　项目研究人员 Leighton 表示，实际上用氢离子注入控制磁性的方法并不是个新创意，但是以电压控制的方式在固体设备上，实现正面改变磁性就是一次重大的飞跃，为芯片领域开辟了全新的研究方向。事实上，控制材料特性的简单方法一直是材料领域的研究人员一直在追求的目标。起效快速、寿命超长的技术，就是该领域的完美杰作。

　　水蒸气的启发

　　其实，这次的发现纯属偶然。在一次尝试控制多层磁材料特性的实验中，研究人员Tan 发现自己的实验结果在不同的日期居然有很大的变化。他在排除所有其他可能之后，最终确定：空气中的湿度越高，实验结果越好。他进一步意识到，空气中的水分子在材料表面被分解为氢原子和氧原子，氧原子消散，氢原子变成氢离子，渗透进入了材料深层，并改变了其特性。

　　巨磁电阻的发现是自旋电子学的开端。在自旋阀器件中，如同三明治一般，两层铁磁材料间是一层非磁性材料，当施加外部磁场时，两层磁性物质间的磁化方向的异同会导致整个器件的电导率会有一个数量级的差别。将中间层换为非磁性的绝缘体后，电导率的差别会更大。这种巨磁电阻材料可以应用在磁场传感器、磁阻随机存储器中。

　　而此次研究团队推出的材料是多层三明治夹心结构，包括磁性钴层，而钴层又被钯或铂金属层、钆氧化物层和用来导电的黄金层包裹。只要对该材料短暂施加电压，就可以改变其磁性，而切断电源后磁性不会改变。想要删除信息，只要让材料两端短路即可。而传统存储芯片必须持续供电才能维持信息，这正是新材料能降低功耗的根本原因。

　　实验室原型，可能在数年内问世，但商业化的存储芯片可能要更长的时间。这一技术的应用，将大幅提升计算设备的运行效率、速度和存储容量都，能量消耗也会随之降低，并极大延长设备电池的使用寿命。Beach 表示：“以其低功耗和高速擦写能力，有望在未来成为移动智能设备的首先，可是距离实际应用我们还有许多工作要做。”此外，电子自旋材料不会激发磁场，所以不会对其他器件产生干扰，处理的数据也难以被监视。

　　编译自《麻省理工科技评论》

　　文/David L. Chandler 编译/李雨蒙