硅磁量子：一种更高效的芯片逻辑开关

科学家设计出一种与硅兼容的方法，以利用量子力学“自旋”来传达数字信息。

麻省理工学院（MIT）和美国国家标准研究院（NIST）的科学家展示了一种基于量子力学的新方法，可以传递数字和模拟信息。 

先前的方法所涉及的元素只能在昂贵的奇异基材上构建。首先，这种新方法建立在用于制造晶体管和IC的相同硅基板上，它也可以在室温下进行。

这两个重要的差异意味着该方法是可行的商业化方法，潜力很大。这对于依赖于耗电且发热的电子传输的现代开关（又称数字逻辑设备）具有非常显著的优势。

什么是磁量子（Magnons）

正如NIST所描述的，磁量子（Magnons）实际上是“穿过磁性材料传播并可以携带信息的波。” 在这种情况下，磁性材料是驻留在相邻原子上的电子，这些电子具有称为“自旋”的量子力学性质。就像我们都熟悉的磁体一样，“北”或“南”自旋是双向的，可以在两个可能的方向之间移动。 

自旋波

如NIST文章所述，在图的左侧或右侧所示的链上激发第一个电子会发出“自旋变化波向下传播通过链”的信息。这样会产生一个电压，该电压可以在每个链的底部读取。

在左侧，自旋的方向都指向同一方向，从而导致在底部读取相对较高的电压。在右侧，来自YIG材料的自旋被诱导指向相反的方向，从而导致较低的电压读数。

较低的电压对应于“ 0”，较高的电压对应于“ 1”，从而复制了数字逻辑。正如NIST中子研究中心（NCNR）的物理学家Patrick Quarterman所说：“这是一个构建基块，可以为新一代高效计算机技术铺平道路。”  

当今的计算机逻辑依靠行进的电子来进行计算和传递结果。就能源使用而言，这是昂贵的。更糟糕的是，会产生寄生热量，这需要占用板空间的大量散热器，甚至可能需要消耗更多能量的风扇。

作为这类新型开关的心脏的电子本身并未移动。只有他们的旋转改变。这样的好处是产生的寄生热量会少得多。 

超越数字逻辑

Magnon组件的功能不只是存储“ On”或“ Off”，“ 1”或“ 0”；它们可以存储模拟值，例如0.1、0.35或0.9。这更像一个阀门，你可以一次打开或关闭它一点。这具有重要意义。需要十个数字开关来存储从零到1024（210）的数字。取决于最终基于磁量子的元件的分辨能力，具有比今天的设备低得多的单元数的很少的存储器最终可能是实用的。 

 这有一个重要的含义。现在储存一个从0到1024（210）的数字需要十个数字开关。而磁量子具有比今天的设备低得多的单元数既可以实现，这取决于最终基于磁子的组件的分辨率能力。

为可穿戴设备和物联网设备节约等多电能 

节约用电是当今电气工程的重要问题。其中一个原因是为了避免因浪费能源而导致的各种问题，这些问题最终以热能的形式出现，以及处理这些问题所涉及的妥协方案。另一个原因是需要延长可穿戴设备和物联网设备的电池寿命。

基于磁量子的栅极将有助于减少计算和信息存储中的发热，可以显著的节能和减热效果。

来源：EETOP综合编译自allaboutcircuits