首款实用化自旋波器件问世

器件的伪彩色扫描电镜图像和示意性横截面图。来源：Advanced Materials (2025)。DOI：10.1002/adma.202503493

米兰理工大学联合莱茵兰 - 普法尔茨工业大学、意大利国家研究委员会材料研究所（CNR-IOM）的研究团队，在《先进材料》杂志发表重磅成果：成功研发首个基于自旋波的集成式全可调谐器件。这项由 Riccardo Bertacco、Philipp Pirro 与 Silvia Tacchi 领衔的创新突破，不仅解决了磁子学技术长期面临的集成难题，更有望重塑未来电信系统的底层架构，其性能潜力已远超当前 5G 标准及在研 6G 技术的预期阈值。

作为自旋电子学的核心分支，磁子学通过操控磁性材料中电子自旋的集体激发（即自旋波）传输信息，从原理上规避了传统电子设备依赖电荷流动导致的焦耳热损耗。然而，此前所有自旋波器件均需外部磁场维持运行，这种设计不仅占用巨大空间，更与芯片集成的微型化需求根本冲突，使该技术长期停留在实验室演示阶段。莱茵兰 - 普法尔茨工业大学的研究显示，传统自旋波 transducer 的插入损耗常超过 20dB，进一步限制了其商业化应用。

新研发的器件通过三重创新实现了突破性进展。在结构设计上，其尺寸仅为 100×150 平方微米，较现有基于声波的射频信号处理设备缩小一个数量级 —— 后者即便最紧凑的型号也需毫米级空间，且无法在高频段保持稳定性能。更关键的突破在于磁控方案：研究团队采用 SmCo 微磁体与磁通集中器的创新组合，彻底摒弃了外部磁体的需求。SmCo 作为稀土永磁材料，不仅具备 16-30 MJ/m³ 的高能量密度，更能在 200°C 高温下保持磁性能稳定，部分高端型号甚至可耐受 350°C 极端环境，且无需表面涂层即可抵御腐蚀。这种材料特性使其能在芯片内部持续产生稳定磁场，且全程不消耗能量，完美契合低功耗设计需求。

器件的核心传输结构采用钴铁硼（CoFeB）自旋波导，这种材料因自旋波传播速度快、阻尼低的特性，已成为磁子学研究的优选介质。波导两端配置的射频天线分别负责信号的输入与输出，通过 MEMS 驱动调节磁体与磁通集中器的间距，可将横向磁场精确控制在 11 至 20.5 mT 之间。这种调节机制带来了卓越的性能可调性：工作频率能在 3 至 8 GHz 频段内连续切换，在 6 GHz 通信常用频段下，相移调节范围可达 120 度，完全满足复杂射频系统对信号相位的精细控制需求。

实验室测试表明，该器件在无外部偏置场条件下，可同时实现时间延迟线与移相器的核心功能。更具应用前景的是其可重构特性：通过与 MEMS 技术结合，器件能响应电压信号实时调整结构参数，这种动态重构能力使单一器件可适配多频段通信需求，而传统设备需多个固定频率组件配合使用。米兰理工大学此前的研究已证实，CoFeB 波导与压电 MEMS 结构结合后，仅需 8V 电压即可实现 1.3 GHz 的频率偏移和 170 度相移，为该设计的实用化提供了技术佐证。

“这一成果是自旋波从实验室演示向可实际应用于电信系统和电子电路的技术迈出的决定性一步。”Riccardo Bertacco 指出，器件的硅基集成设计使其能直接适配现有半导体制造流程，无需重建生产线，这为工业界快速采纳奠定了基础。Silvia Tacchi 进一步补充：“磁子学领域此前始终面临‘材料 - 结构 - 集成’的三重困境，此次突破通过材料创新与结构优化的协同，使自旋波芯片距离消费电子应用仅剩工程化验证的距离。”

该器件是欧盟 MandMEMS 项目的核心成果，这个汇集了欧洲顶尖磁子学、MEMS、射频电子学机构的联盟，正构建一个全新的高频器件技术平台。项目协调员 Philipp Pirro 将该成果纳入下一阶段路线图，明确提出以提升传输效率为核心目标 —— 当前原型器件的插入损耗已降至 15dB 以下，接近实用化门槛，团队计划通过优化天线设计与波导材料进一步将其降至 10dB 以内。“基于这一里程碑，我们有信心在 3 年内推出可用于 6G 市场的独立自旋波芯片器件。”Pirro 强调，该技术对 30 GHz 以上毫米波频段的适配潜力，已超出当前 6G 技术的初步规划。

从应用前景看，这种紧凑型、低功耗的自旋波器件有望引发多行业变革。在电信领域，其宽频段可调性可解决 6G 系统多频段共存的干扰问题，较传统声学滤波器的固定频率特性具有本质优势；在汽车电子中，高温稳定性能满足发动机舱等恶劣环境的使用需求；而在医疗诊断设备中，低功耗与微型化特点可推动便携式成像设备的开发。更长远来看，随着自旋波导网络规模的扩大，该技术还可能为 AI 计算提供全新硬件基础 —— 德国明斯特大学的研究已证实，大规模自旋波导网络可实现超低能耗的逻辑运算。

随着 MandMEMS 联盟推进器件的量产工艺开发，自旋波技术正从基础研究加速迈向产业应用。这种跨越学科边界的创新，不仅为超 6G 通信开辟了新路径，更可能重塑整个高频电子产业的技术格局，为消费电子、工业控制、医疗设备等领域带来颠覆性变革。