EPFL的研究人员在利用无电荷自旋波存储和操作数字数据方面取得了突破，向更环保、更快的计算迈进。

  最新发现揭示，一种常见的铁氧化物：赤铁矿，其行为方式是磁性材料中从未见过的，支持两种不同的磁振子模式。这最终能轻松实现重复数据写入，并为改变未来技术的可持续超快旋转电子设备铺平道路。

  2023年，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用自旋波（不带电荷的磁波）而不是传统的电子流来传输和存储数据，取得了重大突破。该团队由工程学院纳米磁性材料和磁学实验室的Dirk Grundler领导，利用射频信号激发自旋波，其强度足以逆转微小纳米磁体的磁化。这种磁状态之间的切换，例如从0到1，使纳米磁体能够存储数字信息，这是计算机内存和更广泛的信息和通信技术中的一个基本过程。

  这一进步标志着向更可持续的计算迈出了重要的一步。通过用自旋波（其准粒子被称为磁振子）编码数据，研究人能潜在地消除困扰电子器件的能量损失或焦耳加热。然而，在当时，自旋波信号只能开关纳米磁体一次，还不能用于重置它们以覆盖现有数据。

  “赤铁矿展示了全新的自旋物理特性，能够适用于超高频的信号处理，这对于超高速自旋电子器件的开发及其在下一代信息和通信技术中的应用至关重要。”

  现在，Grundler的实验室与中国北京航空航天大学的同事合作，在《自然物理学》上发表了一项研究，使这种重复编码成为可能。具体来说，他们报告了赤铁矿中前所未有的磁性行为：赤铁矿是一种地球上丰富的氧化铁化合物，比目前用于自旋电子学的材料更环保。

  Grundler解释说：“这项工作表明，赤铁矿不单单是钇铁石榴石等现有材料的可持续替代品。它展示了全新的自旋物理，能够适用于超高频的信号处理，这对于超高速自旋电子设备的发展及其在下一代信息和通信技术中的应用至关重要。”

  当EPFL校友、现任北京航空航天大学工业与信息化部自旋电子学重点实验室Fert北京研究所教授的于海明检测到赤铁矿上纳米结构铂条发出的一些奇怪电信号时，这一发现出乎意料。由同一组的研究员卢东胜测量的信号与在传统磁性材料上观察到的任何信号都不同，因此于海明的团队将他们的设备送往Grundler的实验室做分析。

  在检查样本中的磁振子信号时，Grundler发现了它们空间分布的“波动”。“这种敏锐的观察最后导致了干涉模式的发现，这是这项研究的关键转折点，”于海明说。的确，通过光散射显微镜，EPFL的博士生Anna Duvakina确定赤铁矿样品中的奇怪电信号与两个独立的自旋波激发之间的干涉模式有关，这两个自旋波激发被称为磁振子模式。

  其他磁性材料，如钇铁石榴石，只能产生一个磁振子模式，但拥有两个磁振子模式是至关重要的：这在某种程度上预示着由磁振子产生的自旋电流可以在同一设备上的相反极化之间来回切换，这反过来又可以在任何方向上切换纳米磁铁的磁化状态。从理论上讲，这最终能轻松实现数字数据的重复编码和存储。接下来，研究人员希望能够通过在赤铁矿装置上安装纳米磁铁来测试这个想法。

  “人类已经知道赤铁矿几千年了，但它的磁性对于标准应用来说太弱了。现在，事实上它比20世纪50年代为微波电子学优化的材料性能更好，”Grundler说。“这就是科学之美：你可通过这种古老的、地球上丰富的材料，并为它找到这种非常及时的应用，这可以让我们有一种更有效、更可持续的自旋电子学方法。”