研究人员首次展示了一种新方法，可以比目前的商业设备快3个数量级，实现对未来计算至关重要的功能。由副教授大叶信部(Shinobu Ohya)领导的研究小组发明了一种纳米级自旋电子半导体器件，这种器件可以在特定的磁态之间以每秒数万亿次(太赫兹——THz)的速度进行部分切换，远远超过目前器件的频率。
你很有可能在这十年的某个时候买了一台电脑或智能手机。当你看描述时，你可能已经注意到这样的设备的速度通常是用千兆赫(GHz)来测量的。目前大多数设备的频率都在几吉赫兹左右。但是进步在加速，人们正在寻找新的方法来提高我们设备的频率和性能。为此，来自东京大学工程研究生院和前沿科学研究生院的研究人员探索了自旋电子学这一新兴领域。
“我希望我们的研究能带来基于自旋神经元的逻辑和记忆设备，”Ohya说。几十年内，人们应该会看到自旋电子智能手机和数据中心。我们将在人工智能等领域实现令人难以置信的性能提升。
自旋电子学，又称“自旋电子学”，利用电子的一种称为自旋的固有特性来执行功能。例如，计算依赖于物理材料的可切换状态作为传递信息的一种方式。众所周知，组成二进制代码的1和0是由通信线路中的电压水平或硬盘中磁性金属的磁性状态来表示的。状态间的切换越快，设备的性能就越好。在自旋电子器件中，离散自旋磁化状态表示二进制数字。
研究人员创造这一特性的一种方法是用一种特殊的磁性材料，用一种短而高频的太赫兹脉冲辐射，类似于机场的人体扫描仪。辐射翻转这种材料中的电子自旋——铁磁砷化锰(MnAs)——从而使其磁化速度在1皮秒内比微芯片中的晶体管开关快3个数量级。其他研究人员以前也尝试过，但是磁场对脉冲的响应只有1%，太小了，没有实际用途。
然而，现在Ohya和他的团队成功地证明了在太赫兹脉冲作用下，MnAs纳米颗粒的磁化强度发生了更大的变化。20%的高反应意味着它在研究中更有用，并暗示了未来可能的应用。他们的技巧是利用太赫兹电磁辐射的电分量而不是磁分量。
“到目前为止，该领域的研究人员使用铁磁金属薄膜来研究太赫兹的磁化调制，但这些薄膜阻碍了辐射的能量，”Ohya说。“相反，我们将铁磁纳米颗粒嵌入100纳米厚的半导体薄膜中。这大大减少了辐射的阻碍，使得太赫兹电场均匀地到达并翻转纳米粒子的自旋，从而使其磁化。
——文章发布于2019年3月5日
