基于电子的运动和电子运动的控制，我们制造了许多电子器件和电路。从此，计算机取代了“算盘”、“结”等传统计算工具，信息的传输和存储也实现了电子化。可以说，由于电子技术和信息技术的发展，信息处理和传播的速度取得了巨大的飞跃。

然而，基于电子运动的电子电路有一个不可避免的问题，那就是发热问题。

英国物理学家焦耳提出的“焦耳定律”告诉我们，电流在导体中会产生焦耳热：电流通过导体产生的热量与导体的电阻成正比，与通过导体的电流的平方成正比。通过导体的电流，与通电时间成正比。而这也是为什么我们在使用电子产品的时候会感觉它们发热的原因。

图|英国物理学家焦耳

对于不设计发热的电子产品，比如手机、电脑等，我们不希望它们发热。一方面，这是能源的浪费；另一方面，温度的升高可能会影响导体和半导体中的电子。设备中的移动会产生影响，甚至导致某些半导体元件发生故障。如果电路或器件局部过热，电路封装内部可能会发生爆炸。当我们购买电脑时，其散热性能也是需要考虑的一个重要指标。

因此，长期以来，许多科学家一直在寻找电子的替代品。例如，神奇的“光脑”以光子为传输单位，光路就类似于电路。

此外，“自旋波”还可以用来传输信息。近日，麻省理工学院的研究团队在学术期刊《Science》上发表了一项利用自旋波进行信息传输的装置的研究，而这个过程不需要电流，这意味着不会产生“热量”。

论文题目是“磁波子器件中相干自旋波和磁畴壁的相互控制”。文章通讯作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）副教授刘路桥表示：“人们开始寻求硅之外的计算。自旋波计算是一种很有前途的替代技术。”

图|论文发表在《科学》杂志上

无需电流也能传递信息

电子电路因电流流动而产生热量。如果没有电流，就没有热量。

刘路桥研究团队设计的装置就是基于这一基本思想。

该装置通过纳米器件中自旋波的传输来实现信号流。自旋波是磁性材料中磁扰动的有序传播，菲利克斯·布洛赫(Felix Bloch) 早在1929 年就预言了这一现象。

简单来说，我们在高中物理中学到的“波”其实就是以波的形式传播的能量或物质，比如常见的水波、声波等。自旋波的基本单位是“磁振子”，是单个电子自旋方向的扰动，就像箭头摇头一样。自旋波是当这些电子的自旋方向变成有序形状时。就像足球比赛中看到的人潮一样。

作为一种可以在磁性材料中传播的波，与电流类似，自旋波也可以做同样的事情，并且可以存在于磁性材料中。

走向应用的关键挑战

自旋波自诞生以来一直没有大规模应用的原因之一正是因为它难以控制。

就像人类发现电流可以通过导体一样，但如果不知道如何控制电流，仍然无法应用这样的物理现象。

在探索和解决这个问题的过程中，出现了半导体和半导体器件。例如，场效应晶体管（MOSFET）的经典应用是在栅极上添加控制信号，控制其通断，形成受控电子开关。

同样，如果我们想在特殊电路或器件中使用自旋波，我们也需要掌握控制技术。对于自旋波来说，最大的问题之一是如何调制它们。

调制自旋波就是控制其特性。一般来说，采用合成材料、静磁场、大电流输入等方法来实现这一点。但技术尚不成熟，会引入信号噪声，且控制电路和结构过于庞大。能耗也不小，这抵消了任何固有的性能改进。

韩家豪及其同事开发的装置采用了另一种方法——，利用磁性材料中存在的“磁畴壁（Magnetic Doumain Wall）”来调制自旋波。

如图所示，分隔左右区域的是磁畴壁。

它一般存在于磁畴之间。磁畴是铁磁材料中表现出不同磁场方向的区域。每个区域都包含大量的原子。这些原子的磁矩像小磁铁一样整齐排列，但又彼此相邻。不同区域之间原子磁矩的方向排列不同。

这些磁畴的总体方向加起来为零，这就是铁材料在正常情况下没有磁性的原因。然而，一旦我们用磁铁摩擦铁材料，它就会变得有磁性。这是因为外部磁场重新排列了许多磁畴的方向，产生相同的方向，从而产生了磁性。

图|铁材料中的磁畴

利用磁畴壁调制自旋波的原理是，磁畴之间的方向不同，其区域内的电子自旋方向也不同，但它们的扰动可以形成自旋波。

调制的结果是左侧的电子向上旋转，右侧的电子向下旋转。此外，磁畴壁除了调制自旋方向之外，还调制自旋波的振幅。事实上，对于自旋波来说，只要它们形成有序的形状，这些电子的自旋方向就相当于在空间中连接在一起。

就像知道波上两点之间的空间距离一样，就可以知道两点的相位差和幅度之间的关系。然后，通过控制空间距离，可以调制自旋波的相位和幅度。

理清了理论原理后，在设备实现层面，研究团队研发的设备采用了纳米级分层结构，专门构建了这样的磁畴壁。其两侧磁畴的磁化方向正好相反，呈180。这种设计不需要任何额外的组件或电流输入来控制自旋波。

控制的本质在于调整磁畴壁的位置，即调整波的入射点和接收点之间的空间位置。然而，在一般理解中，磁畴壁的位置实际上是材料的固有属性。材料一旦制成，磁畴壁的位置就不会轻易改变。

然而，研究团队采用了更神奇的原理。他们发现自旋波本身也对磁畴壁具有调制作用。可以根据需要调节自旋波来控制磁畴壁的位置。

事实上，整个装置就像一根带有可移动阀门的水管，而磁畴壁就是控制自旋波“流动”的阀门。刘路桥教授做了一个非常恰当的比喻：“你也可以想象，当水的压力太大时，阀门就会被推向下游。如果我们施加足够强的自旋波，我们就可以移动畴壁的位置，只是它稍微向上游移动，而不是被推向下游。”

这样，自旋波就真的和MOS管中的电流一样了。它可以是电流输入或输出信号或控制信号。

在验证过程中，研究团队利用基于磁光效应的MOKE显微镜（磁光克尔效应）观察到自旋波引起磁畴壁微米级的位移，证明自旋波反过来也可以调制磁场。域墙。

图| A.器件的SEM（电子显微镜）图像；公元前。上下畴壁和下上畴壁上的自旋波动的MOKE图像显示了畴壁的运动（BC图的上图均表示没有自旋波通过的情况。黄色亮区和黑色区图中的区域代表不同的磁畴）

自旋波计算的未来

研究人员表示，这样的自旋波磁振子器件可以通过独特的设计实现双信号输入，即输入信号和控制信号齐头并进。换句话说，这样的装置可以用来形成纯自旋波的“波路”。接下来，研究人员希望构建能够执行基本计算的波电路，为特定任务提供实用的自旋波计算。在这样的波电路上进行计算可以摆脱传统电流带来的一系列限制。

同时，刘路桥教授表示，还需要对材料进行优化，以减少潜在的信号噪声，并进一步研究通过围绕磁畴壁移动来调节两种状态之间的切换速度。

对于未来自旋器件的研究，韩家豪还特别提到，材料可能是一个非常重要的方面。

他说：“自旋电子学的发展需要具有稳定磁化状态、能够以低功耗控制磁化状态和磁化动力学的磁性材料，以及能够高效产生自旋极化的材料（例如具有强自旋轨道的材料）。耦合材料）。

在以往TMR和STT-RAM器件成功制作的基础上，研究人员在各个方向都取得了长足的进展和突破，例如发现了具有强自旋轨道耦合的拓扑材料以及发现了能够产生强自旋极的材料。电离和超快动态过程的物理机制（例如自旋轨道扭矩）。然而，一些材料的制备比较困难，需要特定的衬底和外延生长技术。

此外，将这些新发现的材料和物理机制结合成简单的器件结构仍然很困难，需要后续研究。 ”