自旋電子低功耗芯片

實際上，用氫離子注入控制磁性的方法并不是個新創(chuàng)意，但是以電壓控制的方式在固體設(shè)備上，實現(xiàn)正面改變磁性就是一次重大的飛躍，為芯片領(lǐng)域開辟了全新的研究方向

隨著摩爾定律的逐漸失效，傳統(tǒng)基于電荷的電子器件將在不遠(yuǎn)的未來消失，低功耗信息技術(shù)的開發(fā)迫在眉睫。在最新一期的《自然材料》雜志上，麻省理工和布魯克海文國家實驗室的工作人員發(fā)表最新研究成果，他們發(fā)現(xiàn)了通過對自旋電子施加電壓，進(jìn)而控制微芯片磁力的新方法。這一技術(shù)開辟了商用存儲、計算、傳感設(shè)備等領(lǐng)域研究的新方向。相比現(xiàn)有技術(shù)，它可以降低更多的功耗，同時攻克了該領(lǐng)域中的多項技術(shù)難題。

自旋電子技術(shù)

由于硅基微芯片臨近基礎(chǔ)物理極限，想要超越它們的能力范圍，進(jìn)一步提升性能，同時降低自身能耗，研究者們探索了多種避開這些局限的新方法。其中最具價值的方法是一種稱為“自旋電子學(xué)”的方法，它利用電子旋轉(zhuǎn)的性能，替代了電荷的存儲功能。本質(zhì)上，電子器件依賴于電荷產(chǎn)生二進(jìn)制0或者1的計算機數(shù)據(jù)，然而自旋電子器件依賴于自旋特性，通過“上”或者“下”的電子自旋方向?qū)⒍M(jìn)制數(shù)據(jù)記錄于材料中。人們經(jīng)常將電子自旋類比于地球自轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)時產(chǎn)生自轉(zhuǎn)角動量，自旋也有角動量，并且，因為電子攜帶負(fù)電荷，電荷轉(zhuǎn)動會形成電流，電子自轉(zhuǎn)的效應(yīng)便相當(dāng)于一個小電流圈，小電流圈的效果又相當(dāng)于一個具有南極北極的小磁鐵。

因為自旋電子器能夠在無任何外力供電的情況下，只需施加微弱電壓，就能保持自身的磁性，而現(xiàn)有的硅芯片卻很難做到這一點。得益于自旋相干效應(yīng)，在理想條件下自旋電路中只會產(chǎn)生自旋電流而沒有電荷電流，所以自旋電子可以做到低功耗和散熱快，能夠有效解決現(xiàn)在困擾電子產(chǎn)品的一大難題。不過自旋子電子技術(shù)也存在一些弊端。比如無法通過外加電場，簡單迅速地控制材料的磁性，還有自旋的長程傳輸和自旋方向的調(diào)控和探測。目前，全球許多研究機構(gòu)正在努力解決這些問題。

在此前的研究中，大多集中使用類似于電容材料的結(jié)構(gòu)，使金屬磁鐵與絕緣體之間界面上的電子積聚。而積聚的電荷的確可以改變材料的磁性，但只能改變一小部分，所以這種方法無法應(yīng)用于實際操作。還有一些研究是嘗試用離子代替電子來改變磁性。比如，氧離子被用于氧化磁力材料的薄膜層，材料磁性發(fā)生了極大的改變?？墒?，氧離子的輸入與輸出會導(dǎo)致材料的膨脹和收縮，造成機械損傷，這樣重復(fù)幾次材料就會損壞嚴(yán)重，所以這種方法也是毫無用處的。

研究人員表示：“這一新發(fā)現(xiàn)論證了用氫離子替代過去應(yīng)用氧離子的可行性?！币驗闅潆x子相比氧離子更小，氫離子能夠輕松的注入自旋電子的晶體結(jié)構(gòu)材料中，新系統(tǒng)運行更加迅速并且不會損壞材料的結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，這一過程即使重復(fù)2000次依然不會發(fā)生材料退化的現(xiàn)象。

不同于氧離子，氫離子可以輕松通過金屬涂層，讓研究人員們能夠把握此材料更深層的材料特性，這是其他方法難以做到的。當(dāng)你對磁鐵注入氫氣，它的磁力就會開始旋轉(zhuǎn)，實際上施加電壓就可以改變磁力90度，并且是完全可逆的。因為磁鐵的兩極方向用于存儲信息，這就意味著有可能運用這項技術(shù)在自旋電子材料中輕松輸入和抹去信息。

研究人員Beach 曾領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊在數(shù)年前提出了通過氧離子改變材料磁特性的方法，該研究在當(dāng)時就曾引發(fā)過一次關(guān)于“磁離子學(xué)”的研究浪潮。未參與此項研究的明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)系教授 Chris Leighton 表示：“這項研究真的是芯片領(lǐng)域的一次重大突破。目前，全球的研究機構(gòu)對通過電壓控制材料磁性的方法都十分感興趣，這不僅僅是一項重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究，而且它可能是一項改變游戲規(guī)則的科技，因為這種磁力材料將用于存儲和處理信息?！?/p>

項目研究人員 Leighton 表示，實際上用氫離子注入控制磁性的方法并不是個新創(chuàng)意，但是以電壓控制的方式在固體設(shè)備上，實現(xiàn)正面改變磁性就是一次重大的飛躍，為芯片領(lǐng)域開辟了全新的研究方向。事實上，控制材料特性的簡單方法一直是材料領(lǐng)域的研究人員一直在追求的目標(biāo)。起效快速、壽命超長的技術(shù)，就是該領(lǐng)域的完美杰作。

水蒸氣的啟發(fā)

其實，這次的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。在一次嘗試控制多層磁材料特性的實驗中，研究人員Tan 發(fā)現(xiàn)自己的實驗結(jié)果在不同的日期居然有很大的變化。他在排除所有其他可能之后，最終確定：空氣中的濕度越高，實驗結(jié)果越好。他進(jìn)一步意識到，空氣中的水分子在材料表面被分解為氫原子和氧原子，氧原子消散，氫原子變成氫離子，滲透進(jìn)入了材料深層，并改變了其特性。

巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)是自旋電子學(xué)的開端。在自旋閥器件中，如同三明治一般，兩層鐵磁材料間是一層非磁性材料，當(dāng)施加外部磁場時，兩層磁性物質(zhì)間的磁化方向的異同會導(dǎo)致整個器件的電導(dǎo)率會有一個數(shù)量級的差別。將中間層換為非磁性的絕緣體后，電導(dǎo)率的差別會更大。這種巨磁電阻材料可以應(yīng)用在磁場傳感器、磁阻隨機存儲器中。

而此次研究團(tuán)隊推出的材料是多層三明治夾心結(jié)構(gòu)，包括磁性鈷層，而鈷層又被鈀或鉑金屬層、釓氧化物層和用來導(dǎo)電的黃金層包裹。只要對該材料短暫施加電壓，就可以改變其磁性，而切斷電源后磁性不會改變。想要刪除信息，只要讓材料兩端短路即可。而傳統(tǒng)存儲芯片必須持續(xù)供電才能維持信息，這正是新材料能降低功耗的根本原因。

實驗室原型，可能在數(shù)年內(nèi)問世，但商業(yè)化的存儲芯片可能要更長的時間。這一技術(shù)的應(yīng)用，將大幅提升計算設(shè)備的運行效率、速度和存儲容量都，能量消耗也會隨之降低，并極大延長設(shè)備電池的使用壽命。Beach 表示：“以其低功耗和高速擦寫能力，有望在未來成為移動智能設(shè)備的首先，可是距離實際應(yīng)用我們還有許多工作要做?！贝送?，電子自旋材料不會激發(fā)磁場，所以不會對其他器件產(chǎn)生干擾，處理的數(shù)據(jù)也難以被監(jiān)視。

編譯自《麻省理工科技評論》