【人造太阳：为开发核聚变能源探路】
眼下，合肥科学岛春光无限、生机盎然。小岛的中间地带，矗立着一座外形酷似宇宙飞船的大楼——中国科学院合肥研究院等离子体所；大楼深处，有一个大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置（中文名为东方超环，简称EAST），俗称“人造太阳”。
这座由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置，多次创造出等离子体运行的世界纪录，代表着我国磁约束聚变研究在高温等离子体运行物理和工程方面的研究水平，为全人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
“人造太阳”长什么样？何时能造福人类？前不久，记者进行了实地探访。
一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源
尽管提前做了一些功课，当真正来到“人造太阳”面前，这个庞然大物依然让人震撼。装置主体高11米、直径8米、重达400吨，周围供电、冷却等辅助设备林立。其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。
探访当天，“人造太阳”并未进行实验。大约十几名科研人员手持检测工具，在装置主体上下攀爬，进行设备维护和更新。装置零件数量巨大，材料和工艺完全依靠自主研发。从2006年建成至今，装置每年都会进行保养和零部件更新换代，确保实验的顺利进行。
俗话说万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变，为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”，是指充分利用这个科学原理，在地球上建造一套核聚变装置，像太阳一样发生核聚变反应，从而源源不断地产生能量。严格意义上讲，“人造太阳”的称谓并非专属于东方超环，凡是应用了类似原理的装置，都能这么称呼。
“人造太阳”重要性体现在哪里？
这要从核聚变能的优点说起。相比核裂变，核聚变没有放射性。氘和氚反应的生成物是氦气，对环境无害，一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接在海水中提取，氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保，不产生高放射性核废料等优点，是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源。
东方超环这座大科学装置对实现核聚变能有什么贡献？
中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛介绍，这座大科学装置的科学目标，正是从前期基础研究出发，对受控核聚变相关的前沿物理问题展开探索性实验研究，既着眼物理理论突破，同时验证工程上的可行性，为将来打造真正的商业聚变堆、电站打下基础。
太阳发生核聚变，主要依靠星球引力约束等离子体。可地球上没有那么大引力，要想让能量不失控，就需要借助磁场来约束。受控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超大电流、超高真空的极限环境，科学家们用磁场做成“托卡马克”这座“磁笼”，牢牢将高温物质控制住，磁场外面用真空隔绝，保护装置材料不被烧毁。
尽管主流可控核聚变方式不止有磁约束这一种，还有惯性约束、引力约束等，但磁约束在实验室条件下接近成功，也是国际上主流的研究方向。因此，托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径，是地球寻找聚变能源出路的希望。
在东方超环这座大科学装置的牵引下，衍生出一系列创新成果
从5000万摄氏度放电30秒至60秒，再到百秒，再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温，实现接近1000秒的放电时间，将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步。
每一秒的增长，在科学上都具有极高的难度，背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出。
实现受控热核聚变和稳态约束等离子体，是国际共性科学难题。根据物理学理论“劳森判据”，核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素。据等离子体所博士鄢容介绍，想实现聚变反应，首先要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，将高温等离子体维持相对足够长的时间，不泄露不逃逸，才可能释放出足够多的能量。托卡马克的高温物质，就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子，很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可，相互协调到最佳状态，才能实现稳态约束。
除了科学实验难度高，作为集成系统，这个装置对工程配合要求也极高。据了解，整个大科学装置总共有48个窗口，零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。短短的数十秒运行中，任何一个零件失灵，任何一滴不该出现的水珠，任何一个停滞的环节，都会导致实验风险。科研人员不舍昼夜地实验、调试，就是希望能更精确掌握等离子体的基本特性，研究改进磁笼子的形态和性质，在看似杂乱无章的现象中发掘科学规律，提出长时间等离子体稳定约束的最佳运行方案。
大科学装置集高精尖技术于一身，其承载的意义早已不止追求科学目标本身。在东方超环这座大科学装置的牵引下，衍生出了一系列重要的创新成果，形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块，推动一大批高新技术成果实现转移转化，实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。
比如，质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术，一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术，积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统，将大幅降低患者治疗费用。
此外，等离子体还能治疗皮肤病，有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点；等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科，致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。
据介绍，我国的核聚变研究与国际基本同步，甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位，在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。
以东方超环项目为依托，科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目
在国际科技合作方面，东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一，积极开展国际联合实验，促进了全面开放共享。
更重要的是，以这个项目为依托，我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER（国际热核聚变实验堆计划）。该计划的目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程上的可行性。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目，举多国合力向受控聚变实验堆迈进。
“东方超环很像ITER的缩小版，运行模式也都是采用了长脉冲高约束。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年，每个材料都摸过，每个环节都练过，真正积累了等离子体运行的实际经验，能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验。”宋云涛说。
当前，我国承担了ITER10%左右的采购包，其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。科研人员勇于担当，直接争取到ITER最重要的核心设备“超导磁体”的建造任务。这个任务风险很大，但科研人员不畏艰难，高效高质交付了18个采购包制造内容，涵盖了ITER装置几乎所有关键部件, 由上百家科研院所和企业承担。大电流高温超导直流电缆、脉冲高压变电站首台主变压器……自主研发的各项设备运到欧洲，获得了合作伙伴的高度认可。也正因为他们的出色表现，我国直接拿下了整个装置的总装任务。2020年10月，ITER计划启动主体安装工作，我国科研人员恪守承诺，确保安装进度正常。
参与ITER项目十几年，我国科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会，积累了建造“人造太阳”的经验，在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步，为中国建造聚变工程实验堆（CFETR）奠定了基础。
“许多研究物理的年轻人通过在ITER的历练，开阔了眼界，锻炼了本领，回国后成为‘挑大梁’的骨干。”宋云涛说，许多与合肥院合作的国内企业，在生产超导材料、打造零部件方面达到水平一流，积累了国际工程管理、国际合作经验；一些企业甚至走出国门，拿到了国际订单。
“作为东方超环的科研团队，我们感到责任重大、使命光荣。近期，我们希望通过努力，向超高温度更长时间的放电努力，产出一批原创性、战略性、集成性创新成果；长期而言，我们盼望着能够实现大科学装置能量输出大于输入，争取在2040年前后建成聚变电站，让千家万户早日用上核聚变能源，实现清洁能源梦想。”宋云涛说。（记者 刘诗瑶）
来源：人民日报
眼下，合肥科学岛春光无限、生机盎然。小岛的中间地带，矗立着一座外形酷似宇宙飞船的大楼——中国科学院合肥研究院等离子体所；大楼深处，有一个大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置（中文名为东方超环，简称EAST），俗称“人造太阳”。
这座由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置，多次创造出等离子体运行的世界纪录，代表着我国磁约束聚变研究在高温等离子体运行物理和工程方面的研究水平，为全人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
“人造太阳”长什么样？何时能造福人类？前不久，记者进行了实地探访。
一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源
尽管提前做了一些功课，当真正来到“人造太阳”面前，这个庞然大物依然让人震撼。装置主体高11米、直径8米、重达400吨，周围供电、冷却等辅助设备林立。其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。
探访当天，“人造太阳”并未进行实验。大约十几名科研人员手持检测工具，在装置主体上下攀爬，进行设备维护和更新。装置零件数量巨大，材料和工艺完全依靠自主研发。从2006年建成至今，装置每年都会进行保养和零部件更新换代，确保实验的顺利进行。
俗话说万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变，为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”，是指充分利用这个科学原理，在地球上建造一套核聚变装置，像太阳一样发生核聚变反应，从而源源不断地产生能量。严格意义上讲，“人造太阳”的称谓并非专属于东方超环，凡是应用了类似原理的装置，都能这么称呼。
“人造太阳”重要性体现在哪里？
这要从核聚变能的优点说起。相比核裂变，核聚变没有放射性。氘和氚反应的生成物是氦气，对环境无害，一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接在海水中提取，氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保，不产生高放射性核废料等优点，是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源。
东方超环这座大科学装置对实现核聚变能有什么贡献？
中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛介绍，这座大科学装置的科学目标，正是从前期基础研究出发，对受控核聚变相关的前沿物理问题展开探索性实验研究，既着眼物理理论突破，同时验证工程上的可行性，为将来打造真正的商业聚变堆、电站打下基础。
太阳发生核聚变，主要依靠星球引力约束等离子体。可地球上没有那么大引力，要想让能量不失控，就需要借助磁场来约束。受控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超大电流、超高真空的极限环境，科学家们用磁场做成“托卡马克”这座“磁笼”，牢牢将高温物质控制住，磁场外面用真空隔绝，保护装置材料不被烧毁。
尽管主流可控核聚变方式不止有磁约束这一种，还有惯性约束、引力约束等，但磁约束在实验室条件下接近成功，也是国际上主流的研究方向。因此，托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径，是地球寻找聚变能源出路的希望。
在东方超环这座大科学装置的牵引下，衍生出一系列创新成果
从5000万摄氏度放电30秒至60秒，再到百秒，再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温，实现接近1000秒的放电时间，将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步。
每一秒的增长，在科学上都具有极高的难度，背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出。
实现受控热核聚变和稳态约束等离子体，是国际共性科学难题。根据物理学理论“劳森判据”，核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素。据等离子体所博士鄢容介绍，想实现聚变反应，首先要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，将高温等离子体维持相对足够长的时间，不泄露不逃逸，才可能释放出足够多的能量。托卡马克的高温物质，就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子，很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可，相互协调到最佳状态，才能实现稳态约束。
除了科学实验难度高，作为集成系统，这个装置对工程配合要求也极高。据了解，整个大科学装置总共有48个窗口，零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。短短的数十秒运行中，任何一个零件失灵，任何一滴不该出现的水珠，任何一个停滞的环节，都会导致实验风险。科研人员不舍昼夜地实验、调试，就是希望能更精确掌握等离子体的基本特性，研究改进磁笼子的形态和性质，在看似杂乱无章的现象中发掘科学规律，提出长时间等离子体稳定约束的最佳运行方案。
大科学装置集高精尖技术于一身，其承载的意义早已不止追求科学目标本身。在东方超环这座大科学装置的牵引下，衍生出了一系列重要的创新成果，形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块，推动一大批高新技术成果实现转移转化，实现了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。
比如，质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术，一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术，积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统，将大幅降低患者治疗费用。
此外，等离子体还能治疗皮肤病，有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点；等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科，致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。
据介绍，我国的核聚变研究与国际基本同步，甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位，在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。
以东方超环项目为依托，科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目
在国际科技合作方面，东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一，积极开展国际联合实验，促进了全面开放共享。
更重要的是，以这个项目为依托，我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER（国际热核聚变实验堆计划）。该计划的目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程上的可行性。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目，举多国合力向受控聚变实验堆迈进。
“东方超环很像ITER的缩小版，运行模式也都是采用了长脉冲高约束。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年，每个材料都摸过，每个环节都练过，真正积累了等离子体运行的实际经验，能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验。”宋云涛说。
当前，我国承担了ITER10%左右的采购包，其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。科研人员勇于担当，直接争取到ITER最重要的核心设备“超导磁体”的建造任务。这个任务风险很大，但科研人员不畏艰难，高效高质交付了18个采购包制造内容，涵盖了ITER装置几乎所有关键部件, 由上百家科研院所和企业承担。大电流高温超导直流电缆、脉冲高压变电站首台主变压器……自主研发的各项设备运到欧洲，获得了合作伙伴的高度认可。也正因为他们的出色表现，我国直接拿下了整个装置的总装任务。2020年10月，ITER计划启动主体安装工作，我国科研人员恪守承诺，确保安装进度正常。
参与ITER项目十几年，我国科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会，积累了建造“人造太阳”的经验，在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步，为中国建造聚变工程实验堆（CFETR）奠定了基础。
“许多研究物理的年轻人通过在ITER的历练，开阔了眼界，锻炼了本领，回国后成为‘挑大梁’的骨干。”宋云涛说，许多与合肥院合作的国内企业，在生产超导材料、打造零部件方面达到水平一流，积累了国际工程管理、国际合作经验；一些企业甚至走出国门，拿到了国际订单。
“作为东方超环的科研团队，我们感到责任重大、使命光荣。近期，我们希望通过努力，向超高温度更长时间的放电努力，产出一批原创性、战略性、集成性创新成果；长期而言，我们盼望着能够实现大科学装置能量输出大于输入，争取在2040年前后建成聚变电站，让千家万户早日用上核聚变能源，实现清洁能源梦想。”宋云涛说。（记者 刘诗瑶）
来源：人民日报
麻省理工华人学者用电磁波计算：具有高效潜力，不散热且耗电极少

DeepTech深科技
发布时间：11-3010:44DeepTech深科技官方百家号
在评测一台计算机性能时，人们都会重点关注它的散热性能如何。这是因为，目前的计算机在运行时会消耗大量的电能来进行计算和数据存储，如此就会产生许多废热。平白浪费能量不说，还需要设计散热系统。为了寻找更为有效的替代方法，科学家们已经开始着手设计新型电路。
近日，麻省理工学院的研究人员提出了一种十分新颖的电路设计，该设计下的电路可以在不消耗电能的情况下，利用电磁波对计算机进行精确的控制。这一发现向着基于磁的、实用性设备迈出了关键一步。使用此设计电路的设备将具有比传统电子设备更为高效的计算潜力。同时，研究人员已经开始设计基于磁性的“自旋电子”设备，这种设备耗电相对较少，也几乎不产生热量。
在将来，成对的自旋波可以通过双通道输入到电路中，根据不同的特性进行调制，并结合起来以产生一些可测量的量子干扰——类似光子波干涉被用于量子计算。研究人员假设，这种基于干涉的自旋电子设备，比如量子计算机，可以执行常规计算机难以应对的高度复杂的任务。
这项研究由麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）的华人助理教授 Luqiao Liu 带领其自旋电子材料和器件组课题组里的三名研究生 Jiahao Han，Pengxiang Zhang 和 Justin T. Hou，以及一名 EECS 的博士后 Saima A. Siddiqui 共同完成。
“人们开始寻求硅之外的计算能力，波计算是一种有前途的替代方法。”Luqiao Liu 说，“通过使用这个狭窄的畴壁，我们可以调节自旋波并创建两种独立的状态，而不需要任何实际的能源成本，我们只依靠自旋波和固有磁性材料。”

图 | 使不耗电、基于磁的计算成为可能的设计（来源：MIT）
硅之外的计算能力：自旋波
自旋电子器件利用了磁材料中晶格结构的“自旋波”——即电子的量子特性。自旋波是波长很小的能量波。自旋波的组成，本质上是许多电子的集体自旋，被称为磁振子。尽管磁振子不是真正的粒子，就像单个电子一样，但是对于计算应用而言，可以类似地对其进行测量。
测量方法包括调制自旋波特性，以便产生一些可测量的输出，可让该输出与计算相关联。但到目前为止，调制自旋波需要使用体积庞大的元件来注入电流，而这些大体积元件会产生信号噪声，并能抵消任何固有的性能提升。
麻省理工学院的研究人员开发设计的这种电路结构，其仅使用磁性材料中多层纳米膜的一层中的一个纳米厚度的畴壁来调制通过的自旋波，不需要任何额外的组件或电流。继而，自旋波可以根据需要调节以控制磁畴壁的位置。这样便可以精确控制两个变化的自旋波状态，而这两个状态则对应于经典计算中使用的 0 和 1。
在他们的工作中，研究人员定制了一个特殊的“磁畴壁”，这是两个相邻磁性结构之间的纳米级厚度的屏障。他们将钴/镍纳米膜分层（每个纳米膜只有几个原子那么厚），并具有某些理想的磁性，可以处理大量的自旋波。然后，他们把“这堵墙”放在一种具有特殊晶格结构的磁性材料中间，并将系统整合为一个电路。
在电路的一侧，研究人员激发了材料中恒定的自旋波。当波穿过畴壁时，其磁振子立即沿相反的方向旋转：第一个区域的磁振子向北旋转，而第二个区域的磁振子（越过畴壁）向南旋转。这会导致波的相位（即角度）发生急剧变化，幅度（功率）会略有下降。
在实验中，研究人员在电路的另一侧放置了一根独立的天线，用来检测和传输输出信号。结果表明，在输出状态下，输入波的相位发生 180 ° 的翻转。波的强度，从最高到最低的峰值测量结果也下降了很多。
添加“转矩”来强化功能
在得到上述结果之后，研究人员发现了自旋波与畴壁之间的相互作用，可使他们能够有效地在两种状态之间切换。没有畴壁，电路将被均匀地磁化；而有了畴壁，电路就会产生分裂的调制波。
通过控制自旋波，他们发现可以控制畴壁的位置。这依赖于一种被称为“自旋传递转矩”（spin-transfer torque）的现象，也就是自旋电子本质上震动磁性材料，来翻转其磁性方向。
在研究人员的工作中，他们提高了注入自旋波的能量，以诱发一定程度的磁振子自旋。实际上，这会将畴壁拉向增强波源。在这样处理时，天线下的畴壁被“卡住了”，从而使其无法调制波并确保在此状态下均匀磁化。
他们使用一种特殊的磁式电子显微镜，证明了这种方法可以使畴壁上出现微米级的位移，这足以使它在材料块中的任何位置移动。值得注意的是，几年前就有人提出了磁振子自旋传递转矩的机理，但并没有得到证实。Luqiao Liu 对外表示：“有充分的理由相信机理最终会被发现，而我们的实验证明了在这些条件下实际会发生什么。”
这种新型电路整体上看就像一条自来水管，阀门（畴壁）来控制水（自旋波）如何流过管道（材料）。“但是你也可以想象，当水的压力过高时，它会切断阀门，并将其推到下游。”Luqiao Liu 说，“如果施加足够强的自旋波，我们可以移动畴壁的位置——只不过它是稍微向上游移动，而不是推向下游。”
这样的创新可以为特定的任务提供实用的、基于波的计算，例如被称为“快速傅立叶变换”的信号处理技术。接下来，研究人员希望构建可以执行基本计算的工作波电路。与此同时，他们还需要优化材料，以减少潜在的信号噪声，并进一步研究通过在畴壁周围移动调节两种状态之间的切换速度。“这就是我们的待办事项清单。”Luqiao Liu 说道。
团队华人阵容
Luqiao Liu 的研究团队中有多位华人面孔。他本人毕业于北京大学物理系，之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人员，还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学，重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

图 | Luqiao Liu（来源，MIT）
主持者 Luqiao Liu，是麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman 职业发展助理教授。他在 2015 年加入“麻省理工学院电子研究实验室”（RLE)，是自旋电子材料和器件组课题组的首席研究员，他的团队共 9 人。
他毕业于北京大学物理系，之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人员，还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学，重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

图 | 自旋电子材料和器件组课题组 (来源：MIT）
Liu 的研究小组致力于通过自旋-霍尔效应或量子拓扑绝缘体研究固态材料中的自旋-轨道相互作用，以实现高效的自旋电流产生和磁矩转换。由于自旋轨道电子器件（或自旋轨道电子器件）的运行是通过纯自旋电流而非电荷电流实现的，因此与传统器件相比，它的功耗要低得多。同时，Liu 也会探讨自旋轨道电子元件在记忆元件及逻辑元件方面的应用。他的团队还在研究电子电荷和自旋在各种材料系统（如反铁磁体和超导体）中的相互作用，并评估利用这些现象实现新型自旋电子的可能性。

图 | Jiahao Han（来源：MIT）
Jiahao Han，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。

图 | Pengxiang Zhang（来源：MIT）
张鹏翔，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。2013 年毕业于清华大学材料学院，目前是麻省理工学院研究生科研助理。

图 | Justin T. Hou（来源：MIT）
Justin T. Hou，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。

DeepTech深科技
发布时间：11-3010:44DeepTech深科技官方百家号
在评测一台计算机性能时，人们都会重点关注它的散热性能如何。这是因为，目前的计算机在运行时会消耗大量的电能来进行计算和数据存储，如此就会产生许多废热。平白浪费能量不说，还需要设计散热系统。为了寻找更为有效的替代方法，科学家们已经开始着手设计新型电路。
近日，麻省理工学院的研究人员提出了一种十分新颖的电路设计，该设计下的电路可以在不消耗电能的情况下，利用电磁波对计算机进行精确的控制。这一发现向着基于磁的、实用性设备迈出了关键一步。使用此设计电路的设备将具有比传统电子设备更为高效的计算潜力。同时，研究人员已经开始设计基于磁性的“自旋电子”设备，这种设备耗电相对较少，也几乎不产生热量。
在将来，成对的自旋波可以通过双通道输入到电路中，根据不同的特性进行调制，并结合起来以产生一些可测量的量子干扰——类似光子波干涉被用于量子计算。研究人员假设，这种基于干涉的自旋电子设备，比如量子计算机，可以执行常规计算机难以应对的高度复杂的任务。
这项研究由麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）的华人助理教授 Luqiao Liu 带领其自旋电子材料和器件组课题组里的三名研究生 Jiahao Han，Pengxiang Zhang 和 Justin T. Hou，以及一名 EECS 的博士后 Saima A. Siddiqui 共同完成。
“人们开始寻求硅之外的计算能力，波计算是一种有前途的替代方法。”Luqiao Liu 说，“通过使用这个狭窄的畴壁，我们可以调节自旋波并创建两种独立的状态，而不需要任何实际的能源成本，我们只依靠自旋波和固有磁性材料。”

图 | 使不耗电、基于磁的计算成为可能的设计（来源：MIT）
硅之外的计算能力：自旋波
自旋电子器件利用了磁材料中晶格结构的“自旋波”——即电子的量子特性。自旋波是波长很小的能量波。自旋波的组成，本质上是许多电子的集体自旋，被称为磁振子。尽管磁振子不是真正的粒子，就像单个电子一样，但是对于计算应用而言，可以类似地对其进行测量。
测量方法包括调制自旋波特性，以便产生一些可测量的输出，可让该输出与计算相关联。但到目前为止，调制自旋波需要使用体积庞大的元件来注入电流，而这些大体积元件会产生信号噪声，并能抵消任何固有的性能提升。
麻省理工学院的研究人员开发设计的这种电路结构，其仅使用磁性材料中多层纳米膜的一层中的一个纳米厚度的畴壁来调制通过的自旋波，不需要任何额外的组件或电流。继而，自旋波可以根据需要调节以控制磁畴壁的位置。这样便可以精确控制两个变化的自旋波状态，而这两个状态则对应于经典计算中使用的 0 和 1。
在他们的工作中，研究人员定制了一个特殊的“磁畴壁”，这是两个相邻磁性结构之间的纳米级厚度的屏障。他们将钴/镍纳米膜分层（每个纳米膜只有几个原子那么厚），并具有某些理想的磁性，可以处理大量的自旋波。然后，他们把“这堵墙”放在一种具有特殊晶格结构的磁性材料中间，并将系统整合为一个电路。
在电路的一侧，研究人员激发了材料中恒定的自旋波。当波穿过畴壁时，其磁振子立即沿相反的方向旋转：第一个区域的磁振子向北旋转，而第二个区域的磁振子（越过畴壁）向南旋转。这会导致波的相位（即角度）发生急剧变化，幅度（功率）会略有下降。
在实验中，研究人员在电路的另一侧放置了一根独立的天线，用来检测和传输输出信号。结果表明，在输出状态下，输入波的相位发生 180 ° 的翻转。波的强度，从最高到最低的峰值测量结果也下降了很多。
添加“转矩”来强化功能
在得到上述结果之后，研究人员发现了自旋波与畴壁之间的相互作用，可使他们能够有效地在两种状态之间切换。没有畴壁，电路将被均匀地磁化；而有了畴壁，电路就会产生分裂的调制波。
通过控制自旋波，他们发现可以控制畴壁的位置。这依赖于一种被称为“自旋传递转矩”（spin-transfer torque）的现象，也就是自旋电子本质上震动磁性材料，来翻转其磁性方向。
在研究人员的工作中，他们提高了注入自旋波的能量，以诱发一定程度的磁振子自旋。实际上，这会将畴壁拉向增强波源。在这样处理时，天线下的畴壁被“卡住了”，从而使其无法调制波并确保在此状态下均匀磁化。
他们使用一种特殊的磁式电子显微镜，证明了这种方法可以使畴壁上出现微米级的位移，这足以使它在材料块中的任何位置移动。值得注意的是，几年前就有人提出了磁振子自旋传递转矩的机理，但并没有得到证实。Luqiao Liu 对外表示：“有充分的理由相信机理最终会被发现，而我们的实验证明了在这些条件下实际会发生什么。”
这种新型电路整体上看就像一条自来水管，阀门（畴壁）来控制水（自旋波）如何流过管道（材料）。“但是你也可以想象，当水的压力过高时，它会切断阀门，并将其推到下游。”Luqiao Liu 说，“如果施加足够强的自旋波，我们可以移动畴壁的位置——只不过它是稍微向上游移动，而不是推向下游。”
这样的创新可以为特定的任务提供实用的、基于波的计算，例如被称为“快速傅立叶变换”的信号处理技术。接下来，研究人员希望构建可以执行基本计算的工作波电路。与此同时，他们还需要优化材料，以减少潜在的信号噪声，并进一步研究通过在畴壁周围移动调节两种状态之间的切换速度。“这就是我们的待办事项清单。”Luqiao Liu 说道。
团队华人阵容
Luqiao Liu 的研究团队中有多位华人面孔。他本人毕业于北京大学物理系，之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人员，还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学，重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

图 | Luqiao Liu（来源，MIT）
主持者 Luqiao Liu，是麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）Robert J. Shillman 职业发展助理教授。他在 2015 年加入“麻省理工学院电子研究实验室”（RLE)，是自旋电子材料和器件组课题组的首席研究员，他的团队共 9 人。
他毕业于北京大学物理系，之后在康奈尔大学获得应用物理学博士学位。在加入麻省理工学院之前，他是 IBM 沃森研究中心的研究人员，还是 IBM 专利申请成就奖的获得者。他的研究领域是自旋电子学，重点专注于自旋逻辑、非易失性存储器和微波应用的纳米级材料和设备。

图 | 自旋电子材料和器件组课题组 (来源：MIT）
Liu 的研究小组致力于通过自旋-霍尔效应或量子拓扑绝缘体研究固态材料中的自旋-轨道相互作用，以实现高效的自旋电流产生和磁矩转换。由于自旋轨道电子器件（或自旋轨道电子器件）的运行是通过纯自旋电流而非电荷电流实现的，因此与传统器件相比，它的功耗要低得多。同时，Liu 也会探讨自旋轨道电子元件在记忆元件及逻辑元件方面的应用。他的团队还在研究电子电荷和自旋在各种材料系统（如反铁磁体和超导体）中的相互作用，并评估利用这些现象实现新型自旋电子的可能性。

图 | Jiahao Han（来源：MIT）
Jiahao Han，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。

图 | Pengxiang Zhang（来源：MIT）
张鹏翔，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。2013 年毕业于清华大学材料学院，目前是麻省理工学院研究生科研助理。

图 | Justin T. Hou（来源：MIT）
Justin T. Hou，“麻省理工学院电子研究实验室”自旋电子材料和器件组课题组博士后研究员。
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