展示世界上最快的自旋電子元件p-bit

磁性隧道結裝置的俯檢視掃描電子顯微鏡影象。資料來源：K。 Hayakawa等。

日本東北大學（Tohoku University）的研究人員首次開發出了基於自旋電子學的機率位元（p-bit）——被稱為“窮人的量子位元”（q-bit）——的納秒操作技術。

已故物理學家R。P。費曼（R。P。 Feynman）設想了一種機率計算機，能夠大規模地處理機率，從而實現高效的計算。“利用自旋電子學，我們的最新技術邁出了實現費曼願景的第一步，”東北大學電氣通訊研究所教授、該研究的主要作者金井順（Shun Kanai）說。

磁性隧道結（MTJs）是非易失性儲存器（MRAM）的關鍵組成部分，MRAM是一種大規模生產的利用磁化來儲存資訊的儲存器技術。在那裡，熱波動通常會對資訊的穩定儲存造成威脅。

另一方面，在熱不穩定（隨機）MTJs中，p位元與這些熱波動相互作用。日本東北大學和普渡大學之前的合作研究展示了一種在室溫下基於自旋電子學的機率計算機，它由具有毫秒長弛豫時間的隨機MTJs組成。

為了使機率計算機成為一種可行的技術，有必要開發具有更短鬆弛時間的隨機MTJs，從而減少p-bit的波動時間尺度。這樣做將有效地提高計算速度/精度。

實時測量的傳輸電壓訊號，反映磁化狀態和位元狀態。弛豫時間被定義為平均每秒超過1億次的開關時間。資料來源：K。 Hayakawa等。

由Kanai、大野秀夫教授（現任東北大學校長）和Shunsuke Fukami教授組成的東北大學研究小組，生產了一種奈米級的MTJ裝置，該裝置具有平面內的磁性易軸（圖1）。磁化方向平均每8納秒更新一次，比之前的世界紀錄快100倍（圖2）。

研究小組利用熵解釋了這種極短的弛豫時間的機理——熵是一個物理量，用來表示系統的隨機性，而以前磁化動力學沒有考慮到這一點。他們推導了磁化動力學中熵的普遍方程，發現在具有平面內易軸且垂直磁各向異性大小較大的MTJs中熵迅速增加。為了縮短鬆弛時間，研究小組故意採用了平面內的磁易軸。

Kanai補充說：“開發的MTJ與目前的半導體線後端工藝相容，為未來實現高效能機率計算機展示了巨大的前景。”“我們的磁化動力學理論框架包括熵也有廣泛的科學含義，最終顯示了自旋電子學在統計物理中有爭議的問題上的潛力。”