自旋波技術可追溯到數十年前,但由於存在訊號以不同方向傳播的多變特性,使其至今在作為電荷半導體技術的替代方案上仍然受到阻礙。

新加坡國立大學(National University of Singapore;NUS)的研究人員設計了一種傳播自旋波的方法,可用於開發高速且微型化的資料處理元件,並具有巨大的潛力成為更節能、更快速且更高容量的記憶體元件。

基於自旋波的元件採用磁性材料中電子自旋的集體激發作為資訊的載體。但是,新加坡國立大學電子與電腦工程系教授Adekunle Adeyeye在接受《EE Times》的訪問時解釋,該技術的非等向性訊號傳播,對於自旋波元件的實際工業應用帶來了挑戰。

然而,Adeyeye的研究團隊最近開發出一種新方法,可在相同頻率範圍以多個方向同步傳播自旋波訊號;它採用一種包括不同磁性材料層的新穎結構來產生自旋波訊號,而不需要任何外部磁場。這種途徑可實現超低功耗作業,使其適用於元件整合,以及在室溫下更高能效地運作。

20170803_SpinWave_NT01P1 新加坡國立大學電子與電腦工程系教授Adekunle Adeyeye帶領的研究團隊最近開發出可在相同頻率下以多個方向同步傳播自旋波訊號的新方法,而無需施加任何外部磁場 (來源:National University of Singapore)

由於自旋波元件使用電子自旋的集體激勵作為資訊載體,使其成為以電荷傳輸資訊的半導體電路替代方案上。正如Adeyeye所解釋的,等向性的平面內傳播與自旋波一樣,必須在自旋元件的平面外磁化。在其研究論文中,研究人員們解釋如何解決低阻尼垂直磁性材料缺乏可用性的問題。一般來說,平面內的亞鐵磁性材料(YIG)用於大型的平面外偏置磁場,這可能阻礙了等向性自旋波的優點。

在進行實驗時,Adeyeye的研究團隊展示了一款自旋波元件,它不需要額外的磁場,就能在另一個平面內鐵磁體Ni80Fe20或坡莫合金(Py)中取得垂直磁化。這兩種磁性材料都是自旋微管很典型的選擇。經由交錯耦合多層鈷(Co)/鈀(Pd),即可在Py引發垂直非等向性。在實驗中,以任意角度圖案化三個通道的微管中顯示了磁量子自旋資訊的非等向性傳播。

研究人員在其論文中詳細介紹實驗配置:使用100×物鏡將雷射光束聚焦至樣本,樣本置於奈米定位階段的頂部。使用偏振分光器,以相同的物鏡收集散射光束並將其導向干涉儀。白光和相機共線佈置,用於定位和穩定樣本,接著再藉由連接至RF訊號產生器的GSG型條紋天線激發自旋波。

20170803_SpinWave_NT01P2 (A) 自旋波概念元件的SEM影像圖;其中Co-Pd-Py微管具有三個不同角度的通道。天線置於3個通道交界處;(B) BLS頻譜作為可用RF,記錄於SEM影像圖上三個不同符號所指示的三通道;(C) 5.7、6.7和8.2GHz的2D自旋波強度圖記錄在3×12μm2的面積上。每個畫素對應於該位置處的BLS強度。

該計劃得到了新加坡國家研究基金會(NFR)競爭力研究計劃(Competitive Research Program)的支持,其研究成果已經發表在《科學進展》(Science Advances)期刊上,主要作者是Arabinda Haldar,他曾經是新加坡國立大學的研究人員,目前則是印度理工學院海得拉巴校區(IIT Hyderabad;IITH)助理教授。該研究計劃建立在研究團隊於2016年發表於《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊的前導研究基礎上,當時的研究著重於一款可傳輸與操縱自旋波訊號的元件,而不需要開發額外的磁場或電流。研究團隊目前已經針對這兩項發明申請了專利。

Adeyeye表示,綜合這些發現,使得自旋波隨需求進行控制、對資訊進行局部操縱以及磁路的重新編程成為可能,而這也反過來實現了基於自旋波的運算以及資料的一致處理。不過,他並不想推測需要多少時間才能讓這些專利實現商用化,但最終目標在於讓任何自旋波元件得以相容於現有的CMOS製程,才有助於增加可能的應用。

而在不久的將來,該團隊正探索使用其他新型的磁性材料,以實現一致的長距離自旋波訊號傳輸。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Spin Wave Breakthrough Solves Signal Propagation Challenge,by Gary Hilson)