米乐(中国)官方网站层状纳米磁性材料中磁振动放大效应的发现

-A new perspective shown by "swing mathematics" in AI technology development-

演示要点

这些结果为作为 AI 硬件元素的磁性元件的开发提供了新的视角
利用独特的光学测量技术发现层压纳米磁性材料的磁振动放大效应
The key is to prove that there is a mathematical equivalent to the movement of swinging

摘要

东北大学先进材料科学研究所的Narumi Mizukami教授与工程研究生院博士生Ei Kamimaki一起发现了层压纳米磁性材料中磁振动的独特放大现象。这一结果为磁性元件的开发提供了新的视角，磁性元件是人工智能硬件的一个元件。这项研究是与同一研究所的 Natsuto Yoshinaga 副教授、国立先进工业科学技术研究院 (AIST) 和东北大学数学先进材料建模开放创新实验室副主任 Natsuto Yoshinaga 合作进行的。

利用磁振动和磁波作为信息载体的人工智能硬件的研究正在世界范围内取得进展，其中重要的问题之一是开发在纳米尺度上以高能效放大和振荡磁振动和磁波的元件。该研究小组研究了通过将金属纳米薄膜夹在纳米薄膜磁体之间而制成的层压纳米磁性材料的磁振动，结果表明，这两种独特的磁振动是由“划船”秋千时起作用的系数激励数学控制的，并且可以通过超过磁摩擦力来放大和振荡。我们还利用我们独特的光学测量技术成功地观察了磁振荡的放大过程。这一原理为纳米磁性元件的开发提供了新的视角，纳米磁性元件是人工智能硬件的元件。

这项研究发表在美国物理学会杂志4月14日（美国时间）上。已应用物理审查》发布。

研究背景

社会的信息量呈爆炸式增长，基于量子计算技术和人工智能技术等与传统概念不同的科学技术研究，作为有效利用这些信息的新技术，正在世界范围内取得进展。AI technology using magnetic nanotechnology^注1)就是其中之一。例如，由纳米尺寸的磁铁发射磁振动和波^注2)的波浪计算和储层计算作为信息载体并利用它们的叠加进行计算诺依曼型计算器^注3)弱于。之前的研究主要集中在人工智能技术上，该技术使用纳米磁振荡器和放大器，这些振荡器和放大器在通电时运行。为了进一步开发更高能源效率的技术，开发按照新原理工作的纳米磁性元件（例如振荡器和放大器）也很重要。

研究内容

在这项研究中，厚度小于1纳米的非磁性金属被夹在两种厚度为3纳米的磁性材料之间层压纳米磁性材料（合成反铁磁体）^注4)（图1a）。 In this laminated nanomagnetic material, the magnetic fields of the two layers are connected by a spring-like force由于该弹簧的力，人们发现有两种振动方式（以下简称“同向”和“相反方向”），其中两层中的磁性以相同或相反的时序振动（图1b、c）。在这个研究小组中，我们使用独特的脉冲光方法测量了这些磁性复合振动在几皮秒（皮秒：10^-12)的时间分辨率实时观察（图2a）。由于摩擦力，磁振动随着时间的推移逐渐衰减（图 2b）。然而，我们发现，当满足某些条件时，磁振荡会随着时间的推移而增强（图 2c）。对磁运动数学的详细分析表明，在两种磁振动模式之间荡秋千时，存在与运动相似的数学（图 3）。当人乘坐秋千时，一开始秋千的摆动幅度可能很小，但随着人“划动”秋千，秋千的摆动幅度就会变大。这是激励系数^注5)，是自然界中普遍存在的一种现象。使用层压纳米磁性材料，可以通过“划动”两个组合磁振动之一来放大振动，类似于秋千。

展望

通过这项研究揭示的层压纳米磁性材料的磁振动数学表明，这些层压纳米磁性材料可以用作不需要电力的磁振动和波的纳米放大器或纳米振荡器。研究才刚刚开始，我们将继续进行旨在将其应用于人工智能硬件的研究，例如基本特性和用作元件的材料以及集成时的性能。

说明图

图1 层压纳米磁性材料和磁振动的概念图。 (a) 本研究中研究的层压纳米磁性材料。钴铁硼化物（磁性材料）的厚度为3纳米，金属钌的厚度为04纳米。 (b) 磁力如何沿同一方向振动； (c) 磁力如何沿相反方向振动。从技术上讲，它们被称为声学模式和光学模式。

Figure 2 Example of measurement method and observation data (a)测量方法示意图。当用产生振动的强激励脉冲光照射层压纳米磁性材料时，产生两次磁振动，并且根据照射到磁性材料上的弱脉冲光在延迟后被反射的方式来检测磁振动。如果不满足与摆动相同的条件，则由于作用在磁性上的摩擦，磁振动会随着时间的推移而自然衰减，如图（b）所示。 If the conditions are met, we can see that the magnetic oscillation increases with time, as shown in (c)

图3（a）观察到的同方向振动幅度与两个磁振动频率之间的关系。 Frequency when magnetism moves in the same direction (f_a) is the frequency when the magnetism moves in the opposite direction (f_o)并且脉冲光的强度增加时，磁振动增加。 (b) 摇摆类比。从数学上讲，人在秋千上的重心移动和秋千的移动分别对应于两个磁振动。因此，可以说与人荡秋千时的原理是一样的：一种磁振动带动另一种磁振动，磁振动被放大。

已发表的论文

标题：合成反铁磁体中磁振子的参数放大
作者：A Kamimaki、S Iihama、K Z Suzuki、N Yoshinaga 和 S Mizukami
期刊：已应用物理审核 13, 044036 (2020)
DOI：101103/PhysRevApplied13044036

术语表

注1) 使用磁性纳米技术的人工智能技术: 除了基于磁阻非易失性存储器中培育的传统元件（例如隧道磁阻元件和半导体元件）的计算技术之外，最近对称为储层计算的技术的研究也在取得进展，这是一种利用磁振动和波的复杂性的非顺序方法，有望在社会中实现。[返回来源]
Note 2) Magnetic vibrations and waves: 磁性材料的行为就像有序排列的微观条形磁铁（旋转）。微观条形磁铁沿其方向振动，就像指南针晃动一样，这就变成了磁振动。就像河流和海洋中的波一样，磁振动会产生在磁性材料内部和表面传播的磁波。与导电元件相比，与磁振动和波传播相关的能量消耗极小，预计它们将用于节能信息处理设备。[返回来源]
注3) 诺依曼型计算机: 由专门用于各种功能的设备（例如信息处理设备和信息存储设备）组成的计算机，并且根据内置于存储设备中的程序顺序处理信息。目前广泛使用的大多数电子计算机都属于诺依曼型。[返回来源]
注4）层压纳米磁性材料（合成反铁磁体）: 一种二维人造纳米材料，通过将纳米厚的金属夹在具有磁性的纳米厚的薄膜材料之间而制成。根据其间金属的厚度，耦合（弹簧）力的作用会增强或减弱两种磁性材料的磁性。当存在破坏性结合力时，称为堆叠式反铁磁材料。[返回来源]
注5）系数激励（参数激励）: 当确定物体以特定系统特有的频率振动的频率的物理系数周期性振荡时发生的现象。 The physics (mechanics) of swings is a famous example它是一种非常普遍的物理现象，应用于电气工程、电子工程、光学工程、控制工程等各个领域。 The parametron computer that utilized this is famous as Japan's first computer that uses magnetism[返回来源]

联系我们

查询表

米乐(中国)官方网站 层状纳米磁性材料中磁振动放大效应的发现