《反铁磁性材料的神奇:一种将数据处理速率提高约100倍,可达太赫级速度》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-05-28
  • 数据以数太赫的频率从光纤中穿过。一旦数据传送至个人电脑或电视机时,该速度必须被加以限制以匹配组件的数据处理速度。然而,目前组件的数据处理速度仅为几百兆赫。约翰内斯古腾堡大学(JGU)的研究人员已成功研发出一种技术,该技术可将数据处理速度提高至原来的100倍,从而极大缩短了传输速度和处理速度之间的差距。

    疯狂的粉丝们出神地盯着屏幕,就像是被粘到了屏幕上。是的,这也许是德国国家队的目标。哦,不!就在刚出版的报纸中写道!在国内电视机上的超高清节目中,大部分时间所选定的世界杯比赛采用锐利的清晰度显示。不幸的是,传输媒体的带宽无法跟上数据流,或者说,在数据不能被快速处理的情况下往往会是这样。另外,图片抖动或高分辨率必须暂时降低,同时足球迷们还得处理较低分辨率的图像。

    但很快,这种低带宽时代就可能成为过去。捷克科学院的研究人员与他们在美因茨大学的同事一起进行合作,发现了一种可将数据处理速率显著提高大约100倍、可达太赫兹级速度的方法(《物理评论快报》—“反铁磁体中由电流引起的相对论性Nel-Order场”和《科学进展》—“反铁磁记忆中的太赫兹电写速度”)。

    铁磁性和反铁磁性存储器

    一般来说,数据存储器、存储均依赖于铁磁性材料。但会有两个缺点:首先,这些材料的面密度和储存容量将会受限,因为它们必然会存在一个极限值。这是由于每点信息都会存储在一种小型条形磁铁中。根据其对齐情况,每个磁条代表0或1。但如果这些条形磁铁彼此间靠得太近,它们就会开始相互影响。

    第二个问题是,数据可写入这种存储介质的速度也有限制—不可能超过千兆赫的速率。否则耗能极高。

    但反铁磁性存储器并非如此。它们能以更高密度写入数据。因为反铁磁性存储器中条形磁铁总是交替排列,所以对彼此没有影响。这意味着它们可存储更多数据,而且写入速度更快。

    以太赫兹级速度处理数据的反铁磁性存储器

    “如果你想发送信息,比如说足球比赛的移动图像,你会以光的形式发送这些信息。这些光可通过光纤电缆传输,”约翰内斯古腾堡大学交叉学科自旋电子研究小组负责人Jairo Sinova教授解释说。这在太赫兹范围内的频率是可以实现的。这非常迅速。目前,由于这些设备的处理和存储数据采用了基于电能的技术,所以接收速度必须降低才能被计算机或电视机处理,而这些操作速度只有数百千兆赫。我们的反铁磁性存储器的概念能直接处理以太赫兹级速率发送的数据。

    这意味着信号不再需要减速。相反,它也能够通过电脑或电视以太赫兹的速度处理数据。

    科学家团队于2014年进行了初步研究。他们通过反铁磁体传递电流,从而能够适当调整微小的存储单元。他们最初使用电缆,而这是一种相当慢的连接方法。

    Sinova 说道,“我们现在用的是短激光脉冲来感应产生电流,而不是电缆。这种电流对准棒状磁铁,换句话说,就是它们的自转力矩。”

    新的存储器无需使用电缆,而是用无线方式进行工作。目前不需要直接的电流,而是利用光来产生这些效应。凭借这一点,研究人员能够显著提高数据处理速度,从而满足未来用户能观看无抖动、超高清图像的强烈需求。

    原文来自:nanowerk,原文题目:Antiferromagnetic materials allow for processing at terahertz speeds。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=190216
相关报告
  • 《美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法》

    • 来源专题:计量基标准与精密测量
    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2025-03-07
    • 近日,美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员在纳米尺度(尺寸为十亿分之一米)上,利用单量子比特传感,揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法。该方法将为量子材料的发展带来新变化,从而推进传统计算到新兴量子计算领域的技术发展。该研究成果以发表在《Nano Letters》期刊上。 许多材料都会经历相变,其特征是重要的基本属性随温度呈阶梯式变化。了解物质在临界转变温度附近的状态是开发利用独特物理特性的新材料和技术的关键。在这项研究中,该团队使用纳米级的量子传感器来测量磁性薄膜在相变状态附近的自旋波动。在室温下具有磁性的薄膜对于数据存储、传感器和电子设备至关重要,因为它们的磁性可以被精确地控制和操纵。 该团队在纳米相材料科学中心(ORNL的美国能源部科学办公室用户设施)使用了一种名为扫描氮空位中心显微镜的专用仪器。氮空位中心是金刚石中原子级的缺陷,其中氮原子取代了原来碳原子的位置,且相邻的碳原子缺失,从而形成了量子自旋态的特殊构型。在氮空位中心显微镜中,量子自旋态的缺陷能够对静态和动态磁场做出不同的反应,使研究人员能够在单个自旋态的水平上检测仪器的反馈信号,以确定纳米级结构的形态。 ORNL材料科学与技术部的研究人员Ben Lawrie说:“氮空位中心既充当量子比特(qubit),又是一个高度敏感的传感器,我们在薄膜上方移动它,以测量磁性和自旋波动的温度相关变化,这是任何其他方式都无法测量的。 当受自旋方向控制的材料的磁性不断改变方向而不是保持固定时,就会观察到自旋波动。该团队测量了薄膜在不同磁态之间经历相变时的自旋波动,这种相变是通过改变样品温度诱导的。 这些测量揭示了自旋波动的局部变化是如何在相变附近与全局变化联系在一起的。这种对相互作用自旋态的纳米级理解可能会催生出新的基于自旋的信息处理技术,并对广泛的量子材料类别有更深入的了解。 “自旋电子学的进步将提高数字存储和计算效率。与此同时,如果我们能学会控制自旋与其环境之间的交互,那么基于自旋的量子计算向大家展示的计算机仿真模拟的诱人前景将是以往任何传统计算架构都不可想象的。“Lawrie说。 这种类型的研究集合了ORNL在量子信息和凝聚态物理学方面的能力。Lawrie说:“如果我们能够利用最新的量子资源来获得对材料中经典态和量子态的新理解,这将有助于我们设计出在网络、传感和计算方面有实际应用的新型量子设备。 美国能源部基础能源科学计划资助了这项研究。 UT-Battelle作为美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的非营利性管理和运营承包商。 授权为美国能源部(DOE)科学办公室管理ORNL。作为美国物理科学研究的最大单一支持者,科学办公室始终致力于应对我们这个时代最紧迫的挑战。
  • 《这种“特立独行”的神奇材料 将让“钢铁侠”装备变为现实》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-03-10
    • 你知道世界上最“黑”的材料是什么吗?近期,国外一所学院的研究人员利用碳纳米管制造出一款材料,可吸收99.96%以上的入射光,堪称材料家族中的“黑洞”。无独有偶,同样是碳纳米管材料,研究人员利用超过1.4万个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器芯片,并向世界发出了“Hello, World”的信息。    碳纳米管,作为一种拥有特殊结构的一维量子材料,具备诸多超乎寻常的力学、电学、热学等物理性能和化学性能。请看——   性能优异的“材料之王”    在碳纳米管没有出现在世人面前之前,硅是半导体家族中当之无愧的“王者”。现有每个晶体管的核心都是由硅制成的半导体组件。根据晶体管的“开启”和“关闭”状态,来显示是否有电流通过,进而在计算机中呈现出1和0的“计算机语言”。只不过,硅晶体管目前在体积和性能上逐渐面临发展瓶颈,人们于是将更多地目光集中到碳纳米管等新兴材料上。    碳纳米管又名巴基管,是一种由呈六边形排列的碳原子构成的数层或数十层的同轴圆管,管的直径一般为2到20纳米。与头发丝相比,碳纳米管的直径只有它的几万分之一,目前公开报道的最细碳纳米管直径为0.4纳米。正是由于碳纳米管几乎只有原子那么厚,且可以很好地传输电流,人们才能用碳纳米管制造出比硅更好的半导体。    研究表明,碳纳米管处理器的运行速度比硅处理器快2倍,功耗却只有硅处理器的1/3,性能优异的新一代电子产品“王者”呼之欲出。    事实上,碳纳米管还有着许多堪称“特立独行”的神奇特性。作为迄今为止人类发现的力学性能最好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变。与型号ASTMA228的高强度钢相比,碳纳米管的强度是它的270倍,弹性约为它的5倍,密度却只有它的1/6。    此外,碳纳米管在电学、热学和光学等方面也有着超越传统导电、导热材料的优异表现。从理论上讲,碳纳米管的导电效率是硅的10倍,一旦碳纳米管得到广泛应用,“硅谷”可能就真的名不副实了。    早在1985年,“足球”结构的富勒烯一经发现,立刻引来了全世界的目光。以“足球”结构为基础,稍加改动,就可形成具有中空圆柱状结构的碳纳米管。1991年,日本研究人员首次在碳纤维中发现了碳纳米管。随后,研究人员又发现了碳纳米管优异的导电性等诸多性能。目前,人们正在向着批量制备单根长度达到米级甚至公里级以上的碳纳米管而努力。    想要“驯服”碳纳米管这一“材料之王”实属不易。虽然碳纳米管是一种半导体,但其目前的制造过程需要用到金属,不可避免地会在成品材料中混入金属杂质。同时,将碳纳米管转化为电子元器件,需要将纳米管放置在极其精确的位置上。目前,人们还没有掌握能让碳纳米管在特定位置生长的方法。碳纳米管也对其“出生”的“产房”提出了极高要求:一旦环境温度过高致使催化剂失去活性,碳纳米管就会停止“生长”;相反,如果控制上稍有差池,碳纳米管又会“疯狂地生长”。    事实上,早在2013年,有关研究人员就制造出了拥有178个晶体管的第一台碳纳米管计算机,其中每个晶体管包含大约10到200纳米长的碳纳米管。如今,已有直径约为1微米的碳纳米管计算机晶体管研制成功,每秒能开关约100万次。此外,研究人员还发现碳纳米管有着优异的储氢性能,有望成为氢能电池的制造材料,可广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等领域。    人们还计划将千千万万根碳纳米管拧在一起组成宏观纤维,这种被称为“终极纤维”的碳纳米管纤维,将对21世纪高端科技发展具有重大战略意义。一旦人们在“驯服”碳纳米管领域取得突破,一场由碳纳米管发端的科技革命即将“引爆”全球。    应用前景或将改变世界   在地球和月球或太空基地之间搭建一座“太空天梯”,这一场景曾出现在包括《三体》在内的诸多科幻小说中。要想建造月地“太空天梯”,就要能找到一种能跨越38万公里距离且不被自身重量拉断的材料。作为迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,碳纳米管有着极高的拉伸强度,或将助力人们从地球“爬向太空”。未来,人类进入太空或运送物资进入空间站,或许就能像乘坐电梯一样来去自如。    同样借助于碳纳米管独特的力学特性,研究人员正尝试研究制造诸如“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布和“打不透”的防弹衣等“黑科技”产品。风力发电机使用的叶片,对材料的强度和刚度要求极高,利用碳纳米管纤维制成的增强复合材料将成为最好的选择。碳纳米管纤维增强复合材料还具有极好的抗疲劳性,在桥梁、建筑中应用,不仅可以提高强度和抗震能力,还将延长其使用寿命。未来,包括高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车、汽车、高铁列车等,都可以选用碳纳米管材料。    把能量储存到碳纳米管中,类似“钢铁侠”一般的装备也将成为现实。目前,国外某实验室正牵头研发一种能够对外提供电能的新型服装。这种将碳纳米管变成纺织面料的服装,将为战场上使用的照明装置、夜视仪和通信设备等提供电力供应,势必进一步减轻单兵负担。   此外,有研究人员还通过合成碳纳米管材料,研制出一种能灵敏感知压力变化的传感器织物,可在运动训练领域发挥重要作用。人们还尝试将碳纳米管制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。    关于碳纳米管的未来应用还有许许多多。由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,是一种有着光明前途的理想微波吸收剂,可用于隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同时,研究人员畅想将碳纳米管制作成可注射入人体内的微型芯片,还计划将碳纳米管打造成能杀死人体内癌细胞的纳米机器人。