科學家最近發現微小的磁波能夠在材料內部產生電信號，這個突破性發現可能會徹底改變計算效率，並有望開發出超快速、低能耗的晶片，將磁性和電性系統無縫結合。來自德拉瓦大學（University of Delaware）的工程師們在《美國國家科學院院刊》（National Academy of Sciences）發表的理論研究顯示，磁子（magnons），可在材料中移動的磁振子，能產生可檢測的訊號。這項研究揭示用電場控制磁子的潛在方法，未來電腦架構可能會將電性和磁性系統結合，為更快更節能晶片鋪路。
磁性源於電子，這些微小粒子圍繞原子核運行，並擁有一種稱為自旋的特性，自旋可以指向上或下。在鐵等鐵磁材料，自旋會朝同方向排列，進而產生磁場。德拉瓦大學材料科學與工程系的教授馬修·多提（Matthew Doty）表示：「想像一下，所有這些自旋之間有一根彈簧相連。如果我偏轉一個自旋，就像拉動彈簧，接下來的自旋也會隨之偏轉，依此類推。」
目前電腦晶片，訊息是以移動電子傳遞，但電子過程會遇到阻力並釋放熱量。相比之下，磁子透過自旋方向變化傳遞數據，運輸訊息時可損失更少能量。
▲ 馬特·多提教授和博士後研究員杜光（D. Quang To）正在討論他們的研究成果。（Source：德拉瓦大學）
研究集中反鐵磁材料，其中電子自旋交替向上和向下排列。這些材料在計算中尤其有吸引力，因為其中的磁子可以以兆赫茲頻率移動，速度約為標準鐵磁材料的千倍。然而，由於其相反的自旋會相互抵消，檢測和控制這些磁子一直是一個挑戰。
為了進一步研究，CHARM的博士後研究員D. Quang To及其同事使用先進的電腦模擬來研究磁子在反鐵磁材料中的行為。他們意外地發現，移動的磁子能夠產生電信號。多提表示：「結果預測我們可以透過測量它們產生的電極化來檢測磁子。」
研究團隊還探討了當材料的一側加熱比另一側更高時，磁子如何從熱區域移動到冷區域，以及磁子的軌道角動量如何影響其整體行為。To表示：「我們開發了一個數學框架來理解軌道角動量如何促進磁子傳輸。」
德拉瓦大學的團隊目前正在進行實驗，以測試他們的理論預測，並計劃研究磁子與光的相互作用，以確定光的軌道角動量是否可以用來引導或檢測磁子的運動，這個步驟可能使得節能的超快速計算更接近現實。此項研究不僅為自旋電子學與量子運算帶來新契機，也呼應全球對高效能、低能耗晶片的迫切需求。
（首圖來源：shutterstock）
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