德国和日本的研究人员已经成功将磁漩涡（被称为“天空子”）的扩散能力增加了十倍。

在当今世界，我们无法想象没有电脑的生活。迄今为止，这些设备主要使用电子作为电荷载体进行信息处理，这些组件在过程中会显著发热。因此，需要进行主动冷却，而这会带来高能耗。自旋电子学旨在解决这个问题：它不是利用电子流进行信息处理，而是依赖于电子的自旋或固有的角动量。这种方法有望对计算机或特定组件的尺寸、速度和可持续性产生积极影响。

磁漩涡存储和处理信息

科学往往不仅考虑单个电子的自旋，而是由众多自旋组成的磁漩涡。这些被称为天空子的漩涡在磁性金属薄层中出现，并可视为二维准粒子。一方面，可以通过在薄层上施加微小电流来有意识地移动这些漩涡；另一方面，它们由于扩散而以随机且极高效的方式移动。约翰内斯·古腾堡大学（JGU）的研究团队，由Mathias Kläui教授领导，使用最初的原型展示了基于天空子的功能性计算机的可行性。这个原型由一层层薄的金属层叠加而成，其中一些仅有几个原子层厚度。

提升能源效率

与德国康斯坦茨大学和日本东北大学合作，马因茨大学的研究人员在实现以自旋为基础的非传统计算方面迈出了又一步：他们成功使用了合成反铁磁体，将天磁子的扩散程度提高了约十倍，从而大大降低了能源消耗，并提高了潜在计算机的速度。康斯坦茨大学的该项目的理论部分负责人，乌尔里希·诺瓦克教授强调说：“减少电子设备能源消耗是基础研究面临的最大挑战之一。”

反铁磁体的能量

那么，什么是反铁磁体，它有什么用处？普通铁磁体由许多小的自旋组成，它们都耦合在一起指向相同方向，从而形成一个大的磁矩。而在反铁磁体中，自旋是交替反平行排列的，即一个自旋及其直接邻居指向相反的方向。因此，尽管自旋保持着反铁磁有序排列，但没有净磁矩。反铁磁体具有显著的优点，如开关速度更快三个数量级、更好的稳定性和更高存储密度的潜力。人们正在多个研究项目中深入研究这些特性。

为了理解为什么这些反铁磁体在这个背景下有用，我们需要深入探讨一下。当天磁子快速移动时，在垂直于运动方向的铁磁层中会产生一股额外的力量成分。这个力量成分会使天磁子偏离原道路，导致它们撞到墙壁上、被卡住，并阻碍其他天磁子的路径。在更高的速度下，它们甚至可能被破坏。然而，从理论上已知，这种效应在反铁磁体中要么不发生，要么发生得非常有限。

合成反铁磁体的进展

为了人工创建这样的反铁磁体，研究人员将两个铁磁层耦合在一起，使两个层中的磁化严格对齐方向相反，抵消它们的磁场。这带来了两个优势：它们减少了推动天磁子偏离道路的力量，从而增加了扩散能力。物理学家库尔斯·拉布说：“通过这种方法，我们创建了一个合成反铁磁体，其中天磁子的扩散大约比单层高十倍。这种扩散可以应用于实现随机计算，即利用粒子的随机运动等随机过程进行计算。”研究团队通过实验和模拟研究了磁层抵消、温度和天磁子尺寸对扩散和天磁子运动的影响。它们之间存在复杂的联系：随着温度升高，天磁子具有更多能量可以更快地扩散。热量还会减小天磁子的尺寸，这对它们的运动性能有积极影响。抵消垂直力量分量也对扩散有积极影响。所有这些效应很难从彼此分离出来。拉布总结说：“扩散的增加似乎不仅仅是由于磁场的纯量抵消，还与相应天磁子尺寸的减小有关。”

领导这项研究的数学斯·克劳伊教授对与东北大学的富有成效的合作感到高兴：“我们与这所日本顶尖大学合作已有约十年时间，甚至还有联合研究项目。在德国学术交流组织-DAAD-和其他研究资助机构的支持下，马因茨大学已有十几名学生参与了与东北大学的交流。我很高兴通过这种合作实现了这项研究。”这项研究结果最近发表在《自然通讯》杂志上。