自旋电子学具有使计算机运行速度更快、智能手机运行效率更高的潜力，因此被认为是未来电子领域一个很有前景的概念。在包括马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)和亥姆霍兹- zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)在内的合作中，一组研究人员现在已经成功地产生了所谓的自旋波，比以前认为的更容易、更有效。

研究人员在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。现代计算机芯片是基于电荷传输，每个处理事件都导致电子电流在电子元件中流动。

博科园-科学科普：这些电子遇到电阻，产生不需要的热量，芯片上的结构越小，散热就越困难。这种基于电荷架构也是处理器时钟速率多年来没有显著增长的部分原因。芯片性能和速度的稳定发展曲线正在趋于平缓。HZDR离子束物理与材料研究所的Sebastian Wintz博士解释说：现有概念已经达到极限；这就是为什么我们正在研究一种新的策略——自旋波。这种方法不再涉及电荷的传输，而是只传输磁性材料中电子的固有角动量(自旋)。电子本身保持静止，只有自旋发生变化。

一种超短自旋波(红色)穿过镍铁层，朝向层的中心，磁场方向(蓝色箭头)只以一种结的形式上下摆动，而其他部分的运动保持圆形——与磁旋转的感觉相反。图片：HZDR / Juniks

由于相邻电子的自旋相互感应，一个自旋变化可以传播到相邻电子。结果是磁性信号像波一样穿过材料——自旋波。自旋驱动组件的优势在于，它们产生的热量非常少，这意味着它们可能会消耗更少能源——这对智能手机等移动设备来说非常有趣。由于自旋波的波长比类似电磁信号要短得多，例如在移动通信中，也有可能使某些应用的元件进一步小型化。这意味着我们可以在芯片上安装能比现在更多的电路。

用磁涡流引起自旋波

在能做到这一切之前，首先需要更多的基础研究。例如需要知道如何有效地产生自旋波。专家们试图解决这个问题已经有一段时间了，将微米大小的金属条连接到薄磁性层上。交流电通过这条带产生磁场被限制在一个非常小的空间。这个磁场会激发磁层中的自旋波。但是这种方法有一个缺点：很难使产生的自旋波波长小于金属条宽度，这不利于纳米结构高度集成元件的发展。

然而，还有另一种选择：一种形状为圆形圆盘的磁性材料能唤起磁涡旋的形成，而磁涡旋的核心尺寸不超过10纳米。磁场可以使涡旋核发生振荡，从而在这一层触发自旋波。一段时间以前，需要相对复杂的多层材料来实现这一点。现在已经成功地用一种非常简单的材料从涡旋核心发出了自旋波，研究人员使用一种易于制造的镍铁合金层，厚度约为100纳米。

出乎意料的短波长

值得注意的是产生自旋波的波长只有80纳米，在MPI-IS的博士论文中对这一现象进行了研究的Georg Dieterle博士说：专家们对在如此简单的材料中做到这一点感到惊讶，我们也没想到能在低千兆赫的频率范围内产生这样的短波。专家认为短波长的原因在于它们传播的方式。自旋波靠近镍铁层的横截面中心，形成一种“结”，其中磁方向只上下振荡，而不是沿着通常的圆形轨迹。为了使这些现象可见，研究小组在柏林亥姆霍兹中央区的电子储存环BESSY II上使用了一种特殊的x射线显微镜。

MPI-IS主任吉塞拉·舒茨(Gisela Schutz)教授强调说：这是地球上唯一一个提供必要空间和时间分辨率的地方。没有这台显微镜，就无法观察到这些效果。现在专家们希望他们的研究结果将有助于进一步发展自旋电子学。迪特尔说：例如涡旋核可以作为一个局部、可控的源，用来探索潜在的现象，并利用自旋波成分开发新的概念，观察到的自旋波可能在未来与高度集成电路有关。