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見過指南針，但你見過“指西針”嗎？指西羅盤誕生啦

2019-06-15 08:29 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

保羅·謝勒研究所PSI和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)了納米范圍內(nèi)的一種特殊磁性現(xiàn)象，使磁鐵能夠以不同尋常的結(jié)構(gòu)組裝，這可以用來建立計(jì)算機(jī)內(nèi)存和開關(guān)，以提高微處理器的性能，這項(xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

磁鐵的特點(diǎn)是它們有北極和南極，如果兩個(gè)普通磁鐵靠得很近，相反的兩極相互吸引，相同的兩極相互排斥。這就是為什么磁針，比如羅盤上的磁針，會(huì)在地球磁場(chǎng)中排列。

博科園-科學(xué)科普：這樣我們就可以用它們來確定基本的南北方向，并由此推斷出東西方向。在我們每天用感官體驗(yàn)的世界里，這個(gè)規(guī)則是正確的。然而，如果你離開宏觀世界，進(jìn)入更小的維度，情況就會(huì)發(fā)生變化。Paul Scherrer研究所PSI和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，在只有幾個(gè)原子厚度的磁性層構(gòu)成納米級(jí)結(jié)構(gòu)中，存在一種非常特殊的磁相互作用。原子作用就像微小的羅盤針，在納米范圍內(nèi)的微小距離上展開它們的作用，也就是百萬分之幾毫米。這就是為什么研究人員也稱它們?yōu)榧{米磁鐵。

如果一組鈷原子向北或向南排列(紅色)，相鄰的鈷原子向西或向東排列(藍(lán)色)。相鄰原子的方向在平面內(nèi)。這種相互作用需要將鈷層夾在鉑層(下圖，米黃色)和氧化鋁層(上圖，這里沒有顯示)之間。圖片：Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

PSI研究人員現(xiàn)在能夠觀察到的現(xiàn)象，是基于兩位物理學(xué)家伊戈?duì)枴ぜ緛喠_辛斯基(Igor Dzyaloshinskii)和托魯·瑪利亞(Toru Mariya) 60多年前預(yù)測(cè)的相互作用。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和PSI的物理學(xué)家羅兆初表示：那是我們的起點(diǎn)。在這種相互作用中，原子羅盤針不僅朝南北方向排列，而且朝東西方向排列。該研究的第一作者羅兆初(音譯)表示：它們指向哪里取決于它們周圍原子的方向。例如，如果一組原子指向北，相鄰原子總是指向西。如果一組原子指向南方，那么相鄰的原子就會(huì)向東運(yùn)動(dòng)。

這些方向可以被磁場(chǎng)或電流逆轉(zhuǎn)，即從北到南，反之亦然。然后，相鄰的原子群相應(yīng)地調(diào)整自己的方向，從西到東或者從東到西。研究人員在只有1.6納米厚的鈷原子層幫助下發(fā)現(xiàn)了西北和東南方向的耦合，鈷原子層夾在一邊的鉑層和另一邊的氧化鋁層之間。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的教授羅兆初說：僅僅為了我們的實(shí)驗(yàn)，這些特殊層的開發(fā)就花了大約半年時(shí)間。不同尋常的是，這種相互作用是橫向發(fā)生的，也就是在一個(gè)平面上。在此之前，類似的耦合只能在垂直方向上探測(cè)到，原子群排列在原子群之上。

該研究的第一作者羅兆初(音譯)，在一個(gè)所謂的濺射沉積工具前，在該裝置中產(chǎn)生了鉑、鈷和氧化鋁層，每一層只有幾納米厚。圖片：Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic

PSI和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員共同觀察到的這一現(xiàn)象使平面磁場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)得以發(fā)展。此外，還可以生產(chǎn)合成的反鐵磁體。在這些反鐵磁體中，原子群以一定的間隔指向北方或南方。相反的納米磁體數(shù)目大致相同，因此它們可以相互抵消。這就是為什么，乍一看，反鐵磁體的作用不像磁鐵——例如，它們不會(huì)粘在冰箱門上。相鄰的原子，要么朝向西方，要么朝向東方，就像間隔物一樣，將指向北方或南方的磁鐵分開，每個(gè)磁鐵只有幾納米大小，微型“指西針”或“指東針”也就誕生了，不過宏觀現(xiàn)實(shí)生活中用處不大；但，例如這使得構(gòu)建新的、更高效的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和開關(guān)成為可能，而這反過來又使微處理器更強(qiáng)大。

計(jì)算機(jī)邏輯門

單個(gè)納米磁珠面朝北或朝南，適用于構(gòu)造邏輯門。邏輯門是計(jì)算機(jī)的組成部分，起著開關(guān)的作用。信號(hào)進(jìn)入這些門，然后被處理成輸出信號(hào)。在計(jì)算機(jī)中，許多這樣的門被連成網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行操作。這樣的柵極也可以在向北或向南排列的納米磁體幫助下建造。這些類似于目前常用的處理器，晶體管以二進(jìn)制形式處理信號(hào)，將所有信號(hào)解釋為0或1。

無論是向北還是向南定向的納米磁體也可以做到這一點(diǎn)，這將使微處理器更加緊湊和高效。這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人Pietro Gambardella和Laura Heyderman說：這項(xiàng)研究工作提供了一個(gè)平臺(tái)來設(shè)計(jì)連接納米磁網(wǎng)陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面邏輯門和存儲(chǔ)設(shè)備的全電動(dòng)控制。