應變與自旋聯手降低計算機耗能
- 上線日期：2011/2/25 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國科學家發現，只需極小的電壓就能在微小的層狀磁性體上引發應變(mechanical strain)，進而改變磁性體的磁性，因此可以做為高效能計算機的基本運算單元。如此製成的自旋電子/形變電子(spintronics/straintronics)混合處理器由於耗能極低，可以不用電池，從蒐集環境中的能量就能工作，因而得以應用在許多場合，例如植入式醫療裝置及自主感測器(autonomous sensor)。
現行電腦儲存資料是利用硬碟上微小區域中的磁矩方向(「上」與「下」)，來代表二進位的1與0，並透過磁阻原理來讀取資料；寫入資料時，先以雷射加熱位元，再由鄰近微小線圈產生脈衝磁場來翻轉磁矩。近年來，科學家發展出以自旋轉換力矩(spin transfer torque)來翻轉磁矩的概念，亦即利用自旋極化電流來翻轉位元，而不需額外的磁場。此概念可以進一步推廣成利用電流來移動磁性體中的籌壁(domain wall)，並藉此翻轉位元。
然而，這些方法需要相當大量的能量(~10-15J)來翻轉位元，相較於傳統電晶體電路，並無能量上的優勢。事實上，要遵循摩爾定律(Moore's law)持續縮小元件的主要障礙就是高耗能。最近，維吉尼亞聯邦大學的科學家宣稱可以用不到0.4阿焦耳(attojoule, 即10-18J)的能量翻轉奈米磁體元件，比傳統電晶體要小4個數量級，因此不用電池，只需蒐集環境中的能量，例如藉由壓電(piezoelectrics)材料製成的機電轉換器，將振動形式的力學能轉換成電能。
此研究團隊利用鐵電層與磁伸縮(magnetostrictive)層接合組成的多鐵電奈米磁性體，設計出一個基本計算機處理單元。磁伸縮材料在被磁化時形狀會改變。在外加電壓下，壓電層會產生應變，並移轉至磁伸縮層，產生將磁矩翻轉的應力。研究人員解釋，產生應力所需的電壓極低，只有約10 mV，而磁矩消耗的能量正比於電壓平方，因此切換位元所需的能量也非常低。
此新技術的潛在應用包括醫療裝置，例如監測癲癇發作的植入式腦波感測器，或製作嵌在浮標上的計算機，用來監測海洋溫度變化。詳見近期的Applied Physics Letters或arXiv。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/44911
譯者:孫士傑(高雄大學應用物理系)
責任編輯:蔡雅芝
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