量子自旋革命：開啟超高速運算新紀元

加州大學河濱分校（UCR）與其合作夥伴正積極探索「反鐵磁自旋電子學」，這項技術有望透過量子力學，實現超高速、超高密度的記憶體，並推動更智慧的運算發展。UCR近期透過「加州大學國家實驗室費用研究計畫」獲得近400萬美元的資助，將主導一項重大研究計畫，專注於反鐵磁自旋電子學的開發，這項技術被視為未來記憶體與運算科技的關鍵突破。

在未來三年內，這項計畫將深入研究反鐵磁材料的特性，這些材料以其超快速的自旋特性聞名，有望突破現有微電子技術的極限。UCR物理與天文學特聘教授、計畫主持人施靜（Jing Shi）表示：「半導體微電子產業正積極尋找新材料、新現象與新機制，以持續推動技術進步。」他強調，與加州大學聖地牙哥分校、戴維斯分校、洛杉磯分校（UCLA）以及勞倫斯利佛摩國家實驗室的合作，將鞏固加州大學在這一領域的領導地位，並為未來爭取更多外部資金奠定基礎。

自旋電子學（Spintronics）是一種利用電子自旋的量子特性進行資訊處理的技術，相較於傳統的電荷基礎技術，反鐵磁自旋電子學提供了更快速、更緊湊的替代方案。施靜指出：「在UCR的領導下，我們將積極爭取《晶片法案》（CHIPS Act）提供的新資金。」《晶片法案》旨在支援美國國內半導體生產，並推動相關技術的發展。

施靜進一步解釋，在鐵磁材料中，所有電子自旋方向一致，形成淨磁矩；而反鐵磁材料則具有交替的自旋方向，因此沒有淨磁矩。儘管如此，反鐵磁材料中的自旋方向可以被翻轉，用於表示兩種不同的狀態，這使其成為記憶體儲存的理想選擇。施靜表示：「反鐵磁記憶體的優勢在於更高的密度，由於沒有淨磁矩，相鄰的位元不會相互幹擾。此外，反鐵磁材料的記憶寫入速度更快，這得益於一種稱為『交換相互作用』的量子效應。」

除了記憶體應用，反鐵磁材料在運算領域也展現出巨大潛力，特別是在磁性神經網路中。施靜指出，一種稱為「易平面反鐵磁體」的特殊材料，能夠以極低的能量損耗傳遞自旋脈衝，這使得資訊可以透過多層神經網路傳遞，類似於生物神經網路中的訊號處理。這種現象被稱為「自旋超流性」，即自旋脈衝能夠在材料中高效傳播，幾乎不會耗散。

這項名為「反鐵磁自旋電子學：先進記憶體與運算」的計畫，將深入研究這些特殊反鐵磁材料的潛力。研究團隊將利用UCR的多個實驗室設施，以及勞倫斯柏克萊國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室的資源。此外，計畫還將吸引多位博士後研究員與研究生參與。施靜表示，評審委員認為這項研究具有高風險與高回報的特性，但他對團隊的能力充滿信心：「我們在反鐵磁材料合成方面擁有深厚的專業知識，相信能夠克服未來的挑戰。」

UCR團隊成員包括物理與天文學副教授伊戈爾·巴爾蘇科夫（Igor Barsukov）等人，他們將共同推動這項革命性技術的發展，為未來的運算與記憶體科技開創全新局面。