劉路橋利用一種稱(chēng)為電子自旋的量子特性來(lái)構(gòu)建低功耗、高性能的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和可編程計(jì)算機(jī)芯片。

劉路橋是那種寧愿把玩具拆開(kāi)看效果也不愿按原樣玩的孩子。

好奇心一直是他一生的驅(qū)動(dòng)力，這使他進(jìn)入了麻省理工學(xué)院，劉是麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系新任副教授，也是電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員。

他現(xiàn)在沒(méi)有拆開(kāi)東西，而是使用新材料和納米級(jí)制造技術(shù)來(lái)構(gòu)建下一代電子產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品的功耗比傳統(tǒng)設(shè)備低得多。他說(shuō)，好奇心仍然派上用場(chǎng)，特別是因?yàn)樗退暮献髡咴谧孕娮訉W(xué)這個(gè)基本上未知的領(lǐng)域工作——這個(gè)領(lǐng)域直到 1980 年代才出現(xiàn)。

“我們?cè)诠ぷ髦斜仨毧朔S多挑戰(zhàn)。在自旋電子學(xué)中，從根本上可以完成的工作與目前已經(jīng)完成的工作之間仍然存在差距。在獲得更好的材料和尋找新的機(jī)制方面還有很多需要研究，這樣我們才能達(dá)到越來(lái)越高的性能，”劉說(shuō)，他也是麻省理工學(xué)院-IBM 沃森人工智能實(shí)驗(yàn)室的成員。

電子是亞原子粒子，具有稱(chēng)為自旋的基本量子特性。一種形象化的方法是想象一個(gè)圍繞自身旋轉(zhuǎn)的陀螺，它給出了陀螺的角動(dòng)量。那個(gè)角動(dòng)量是陀螺的質(zhì)量、半徑和速度的乘積，被稱(chēng)為它的自旋。

雖然電子在技術(shù)上并不像陀螺那樣繞軸旋轉(zhuǎn)，但它們確實(shí)具有相同類(lèi)型的自旋。它們的角動(dòng)量可以指向“向上”或“向下”。工程師可以利用電子自旋的二進(jìn)制性質(zhì)，而不是使用正電荷和負(fù)電荷來(lái)表示電子設(shè)備中的二進(jìn)制信息（1 和 0）。

由于改變電子自旋方向所需的能量較少，因此電子自旋可用于開(kāi)關(guān)電子設(shè)備中的晶體管，其功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電子設(shè)備。晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分，用于調(diào)節(jié)電信號(hào)。

此外，由于它們的角動(dòng)量，電子表現(xiàn)得像微小的磁鐵。研究人員可以使用這些磁性來(lái)表示信息并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存硬件中。Liu 和他的合作者旨在加速這一過(guò)程，消除阻礙低功耗、高性能計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備的速度瓶頸。

被磁力吸引

劉研究計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)硬件和自旋電子學(xué)的道路始于冰箱磁鐵。小時(shí)候，他想知道為什么磁鐵會(huì)粘在冰箱上。

早期的好奇心幫助激發(fā)了他對(duì)科學(xué)和數(shù)學(xué)的興趣。隨著他在高中和大學(xué)深入研究這些科目，學(xué)習(xí)更多有關(guān)物理、化學(xué)和電子學(xué)的知識(shí)，他對(duì)磁學(xué)及其在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用的好奇心加深了。

當(dāng)他有機(jī)會(huì)在康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位并加入一個(gè)研究磁性材料的研究小組時(shí)，劉找到了完美的搭檔。

“在接下來(lái)的五六年里，我一直在尋找新的、更有效的方法來(lái)產(chǎn)生電子自旋電流，并用它來(lái)將信息寫(xiě)入磁性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，”他說(shuō)。

在對(duì)研究世界著迷的同時(shí)，劉希望嘗試自己的行業(yè)生涯，因此他在研究生畢業(yè)后加入了 IBM 的 TJ Watson 研究中心。在那里，他的工作重點(diǎn)是為計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)更高效的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器硬件。

“讓一些東西終以商業(yè)可用的格式運(yùn)行是非常重要的，但我發(fā)現(xiàn)自己并沒(méi)有完全投入到這種微調(diào)工作中。我想展示非常新穎的工作的可行性——證明一些新概念是可能的，”劉說(shuō)。他于 2015 年加入麻省理工學(xué)院擔(dān)任助理教授。

重大事項(xiàng)

劉近在麻省理工學(xué)院的一些工作涉及使用納米級(jí)反鐵磁材料構(gòu)建計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。反鐵磁材料，如錳，含有由于電子自旋而充當(dāng)微小磁鐵的離子。它們自行排列，使“向上”旋轉(zhuǎn)的離子和“向下”旋轉(zhuǎn)的離子彼此相反，因此磁性相互抵消。

因?yàn)樗鼈儾划a(chǎn)生磁場(chǎng)，所以反鐵磁材料可以更緊密地堆積在存儲(chǔ)設(shè)備上，從而提高存儲(chǔ)容量。劉解釋說(shuō)，它們?nèi)狈Υ艌?chǎng)意味著自旋狀態(tài)可以在“向上”和“向下”之間非常快速地切換，因此反鐵磁材料可以比傳統(tǒng)材料更快地切換晶體管。

“在科學(xué)界，是否可以通過(guò)電氣方式切換這些反鐵磁材料內(nèi)部的自旋方向一直存在爭(zhēng)議。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們證明你可以，”他說(shuō)。

在他的實(shí)驗(yàn)中，劉經(jīng)常使用幾年前才創(chuàng)造出來(lái)的新材料，因此它們的所有特性都還沒(méi)有被充分理解。但他喜歡將它們集成到設(shè)備中并測(cè)試其功能的挑戰(zhàn)。尋找更好的材料來(lái)利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的電子自旋可以使設(shè)備使用更少的能量、存儲(chǔ)更多的信息并將這些信息保留更長(zhǎng)的時(shí)間。

劉利用MIT.nano內(nèi)的設(shè)備，這是一個(gè)共享的 214,000 平方英尺的納米級(jí)研究中心，用于構(gòu)建和測(cè)試納米級(jí)設(shè)備。他說(shuō)，觸手可及的這種的設(shè)施對(duì)他的研究來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音。

但對(duì)劉來(lái)說(shuō)，人力資本才是他工作的真正動(dòng)力。

“同事和學(xué)生是麻省理工學(xué)院寶貴的部分。能夠討論問(wèn)題并與世界上聰明的人交談，這是做這份工作愉快的經(jīng)歷，”他說(shuō)。

他、他的學(xué)生和同事正在推動(dòng)自旋電子學(xué)這個(gè)年輕領(lǐng)域向前發(fā)展。

未來(lái)，他設(shè)想將反鐵磁材料與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合使用，以創(chuàng)建性能更好的混合計(jì)算設(shè)備。他還計(jì)劃深入探索量子技術(shù)領(lǐng)域。例如，自旋電子學(xué)可用于有效控制量子電路中的信息流，他說(shuō)。

在量子計(jì)算中，信號(hào)隔離至關(guān)重要——信息必須僅沿一個(gè)方向從量子電路流向外部電路。他正在探索使用一種稱(chēng)為自旋波的現(xiàn)象，這是磁性材料內(nèi)部電子自旋的激發(fā)，以確保信號(hào)僅沿一個(gè)方向移動(dòng)。

無(wú)論他是在研究量子計(jì)算還是探索新材料的特性，有一件事是正確的——?jiǎng)⒗^續(xù)被永不滿(mǎn)足的好奇心所驅(qū)使。

“我們正在不斷探索、深入研究許多令人興奮和具有挑戰(zhàn)性的新課題，以實(shí)現(xiàn)使用自旋電子學(xué)制造更好的計(jì)算存儲(chǔ)器或數(shù)字邏輯設(shè)備的目標(biāo)，”他說(shuō)。