自旋波新发现，未来芯片有望大幅降功耗

如今基于硅芯片的计算机技术正逐步逼近物理极限。元器件无法无限缩小，时钟频率也不能持续提升。与此同时，多地正在建设大型AI数据中心，这类设施耗电量巨大。正因如此，全球科学家都在寻找新型材料，用以替代或补充硅基技术，并大幅降低能耗。

PSI的一支研究团队结合多种X射线技术，现已能够详细解析这类材料中不同激发态之间快速的相互作用：电子激发、磁激发以及晶格激发。 该研究发表于《自然・通讯》期刊。

从电子到自旋波

如果人类能够有效控制固体中电子自旋的快速翻转，未来的计算机技术有望变得效率更高、速度更快。借此可以制造晶体管这类超高速逻辑器件。

在现有计算机芯片中，电子在材料内部流动，会造成功耗损失并产生废热。与之不同，如果电子保持静止，仅操控电子自旋，就能激发自旋波来传递信息 —— 这和足球场人浪原理类似：并不是人群在体育场内移动，而是大家依次抬手。

该研究领域也被称为自旋电子学（spintronics），名称源自 “自旋（spin）” 与 “电子学（electronics）”。它利用被称为磁振子（magnon）的微小集体自旋激发。之所以叫这个名字，是因为自旋如同原子级指南针，和磁场耦合，可以通过磁场实现激发与读取。

“我们研究了这些激发态的动力学过程，借此以微观视角，前所未有的详尽程度揭示材料内部发生的所有关键变化。” 保罗・谢勒研究所主导该项目的Hiroki Ueda表示。

过去，科研人员已经能够研究材料中自旋波行为的各类特性。但无法获得完整连贯的图景，因为各类分析手段每次只能捕捉一部分微观现象。Ueda解释道：“我们格外关注材料中不同激发态之间的相互关联。”

除磁振子外，晶体中的原子振动，也就是声子（phonon），同样扮演重要角色。磁振子和声子也被称为 “准粒子”。它们虽然不是原子、电子、光子这类真实粒子，但可以像粒子一样，作为独立个体拥有特定能量与动量。这种特性根植于量子物理定律。

磁振子在量子世界拥有长寿命

想要观测这些现象，研究人员首先需要生成磁振子。他们向材料样本发射高强度超短激光脉冲。论文第一作者、PSI光子科学中心的Arnau Romaguera说：“我们选择氧化铜，因为它是一种知名磁性材料，磁性与晶格之间存在强相互作用。”

激光脉冲首先激发材料内的电子，进而让原本无序的自旋依次翻转，产生磁振子。整个过程转瞬即逝，发生在飞秒级别（千万亿分之一秒）。这些光激发产生的磁振子随后互相散射，在皮秒（万亿分之一秒）时间尺度内，在材料中形成无序波动状态，如同汹涌海面。再过三个数量级的时间，到达纳秒（十亿分之一秒）区间，磁振子会与晶格原子发生相互作用，将自身能量转化为声子，也就是量子化的晶格振动。

这项结果有意思的地方在于：磁振子在转化为声子之前，拥有很长的寿命。以人类感知标准来看，这些时间尺度都极其短暂；但在量子世界中，它们跨越了多个数量级。

Romaguera表示：“氧化铜的磁性和晶格耦合很强，我们原本以为磁振子会很快把能量传递给晶格，结果测得的寿命远超预期。” 相对更长的磁振子寿命，意味着有充足时间完成和控制逻辑运算。

Ueda解释：“磁振子和声子的动量 - 能量关系差异很大。” “这种差异会改变磁振子向晶格传递能量的效率，造就磁振子的长寿命，也为我们提供重要思路：可以通过设计特定材料，按需调控磁振子寿命。”

追踪从飞秒到纳秒的动力学过程

这项实验的难点，是在跨度极大的时间尺度上观测所有这些不同现象。Romaguera说：“我们为此使用了多种X射线技术。这些技术的共同点是：在产生磁振子的激光脉冲之后不久，将自由电子激光器发出的高亮度X射线脉冲打在样本上。”

这也被称为泵浦 - 探测技术。通过逐步调整两个脉冲之间的时间间隔，研究人员可以在激发后的不同时刻探测材料，拼接出微观事件的连续快照。

除两种成熟X射线技术外，研究团队首次使用一种全新X射线技术：时间分辨共振漫散射。相关测量工作在PSI瑞士自由电子激光装置（SwissFEL）的Furka实验站完成。 其余测量在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源（ESRF）开展。研究人员还借助量子动力学模拟，复现实测的能量流动过程，补充实验结果。

Ueda介绍：“我们的测量结果和理论计算大体吻合。”这说明底层理论已经得到充分验证，只是仍需要针对不同材料的结构做适配。尽管目前还属于基础研究，但它让自旋电子学这一未来电子技术距离实际应用迈出重要一步。