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有些超导体携带自旋电流
几年前，来自剑桥大学证明了创造自旋排列的电子对是可能的:向上-向上或向下-向下。自旋电流可以由向上和向下向相反方向移动的电荷对携带，净电荷电流为零，创造这种纯自旋超电流的能力是实现团队愿景的重要一步，即创造一种比目前硅基电子设备消耗更少能量的超导计算技术。现在，这个团队已经确定了一组材料这鼓励了自旋电子的配对，因此自旋电流在超导状态下比在非超导(正常)状态下更有效地流动。

超导体中自旋电流流动的概念图像
资料来源:剑桥大学

剑桥大学材料科学和冶金系的Mark Blamire教授领导了这项研究，他说:“尽管正常状态的自旋电子学或自旋电子学的某些方面比标准半导体电子学更有效，但它们的大规模应用已经被阻止，因为产生自旋电流所需的大电荷电流浪费了太多的能量。一种产生和控制自旋电流的全超导方法提供了一种改进方法。”

在目前的工作中，Blamire和他的合作者使用了多层金属薄膜，每层只有几纳米厚。他们观察到，当微波场施加到薄膜上时，它会导致中心磁层向旁边的超导体发射自旋电流。

“如果我们只使用超导体，当系统成为超导体时，一旦冷却到温度以下，自旋电流就会被阻塞。令人惊讶的结果是，当我们在超导体上添加铂层时，超导状态下的自旋电流比正常状态下的大。”Blamire补充道。

尽管研究人员已经证明某些超导体可以携带自旋电流，但到目前为止，这种情况只发生在短距离内。研究小组的下一步是了解如何增加距离以及如何控制自旋电流。

集成光学元件与现有芯片设计
两年半前，一组研究人员在麻省理工学院,加州大学伯克利分校,波士顿大学宣布了一个里程碑:只使用现有的制造工艺，制造出了一个可工作的微处理器集成电子、光学元件在同一个芯片上。但这种方法要求芯片的电子元件与光学元件由同一层硅构成。这意味着要依靠一种较旧的芯片技术，其中用于电子器件的硅层足够厚，可以用于光学器件。

现在，该团队报告了另一项突破:一种将片上光学和电子分开组装的技术，这使得使用更现代的晶体管技术成为可能，并使用现有的制造工艺。

研究人员已经开发出一种单独组装片上光学和电子的技术，这使得使用更现代的晶体管技术成为可能

来源:麻省理工学院

麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家Amir Atabaki是这篇新论文的三位第一作者之一，他说:“这项工作最有希望的是，你可以独立于电子器件来优化光子学。我们有不同的硅电子技术，如果我们能把光子学加入其中，这将是未来通信和计算芯片的强大能力。例如，现在我们可以想象像英特尔或英伟达这样的微处理器制造商或GPU制造商说，‘这非常好。我们现在可以为我们的微处理器或GPU提供光子输入和输出。’而且他们不需要在工艺上做太多改变就能获得片上光学的性能提升。”

从电通信转向光通信对芯片制造商来说很有吸引力，因为它可以显著提高芯片的速度并降低功耗，随着芯片晶体管数量的不断增加，这一优势将变得越来越重要。事实上，半导体行业协会估计，按照目前的增长速度，到2040年，计算机的能源需求将超过全球总电力输出。

在同一芯片上集成光学或“光子”和电子元件进一步降低了功耗。研究人员强调，目前市场上有光通信设备，但它们消耗太多的能量，产生太多的热量，无法集成到微处理器等电子芯片中。

商用调制器是一种将数字信息编码到光信号上的设备，其功耗是研究人员新芯片中内置调制器的10到100倍。它还占用10到20倍的芯片空间。这是因为在同一个芯片上集成了电子和光子学，使得Atabaki和他的同事能够使用一种更节省空间的调制器设计，这种设计基于一种被称为环形谐振器的光子器件。

Atabaki解释说:“如果没有集成电子器件，我们就无法使用光子结构。”“例如，今天还没有使用光学谐振器的商业光收发器，因为你需要相当大的电子能力来控制和稳定谐振器。”

除了用于执行计算的数百万个晶体管外，研究人员的新芯片还包括光通信所需的所有组件:调制器;引导光穿过芯片的波导;谐振器，分离出不同波长的光，每种光可以携带不同的数据;研究人员解释说，还有光电探测器，它可以将传入的光信号转换回电信号。

硅是大多数现代计算机芯片的基础，必须在一层玻璃上制造才能产生有用的光学元件。硅和玻璃的折射率之间的差异——材料弯曲光的程度——是将光限制在硅光学元件上的原因。

利用纽约州立理工学院纳米科学与工程学院的制造设施，研究人员尝试了一系列多晶硅沉积配方，改变了所使用的原始硅的类型、加工温度和时间，直到他们找到了一个在电子和光学性能之间提供良好平衡的配方。Atabaki总结道:“我认为在找到一种合适的材料之前，我们必须使用50多个硅片。”

可穿戴智能技术
多亏了纳米晶体管由哈佛大学的研究人员创建曼彻斯特大学而且山东大学在中国，柔性电视、平板电脑和手机以及“真正可穿戴的”智能科技离我们又近了一步。

这个国际团队已经开发了一种超快的纳米级晶体管，称为薄膜晶体管，或TFT，由氧化物半导体制成。TFT是第一种能够以1 GHz基准速度工作的氧化物半导体晶体管。这将使下一代电子产品比以往更快、更明亮、更灵活。

可穿戴电子产品需要灵活性，在很多情况下还需要透明度。这将是我们研究的完美应用。此外，智能家居、智能医院和智能城市的发展是一种趋势，在所有这些领域中，氧化物半导体TFTs将发挥关键作用。”
宋爱民教授，纳米电子学教授

曼彻斯特大学电气与电子工程学院纳米电子学教授Aimin Song解释道。“电视已经可以做得非常薄和明亮。我们的工作可能有助于电视机在机械上更灵活，甚至生产成本更低。但是，也许更重要的是，我们的GHz晶体管可以实现中等甚至高性能的柔性电子电路，例如真正的可穿戴电子产品。”