DARPA正在探索物理学中的新前沿以开发下一代国防技术

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　为了重塑军事计算和电子技术的基础，美国国防预先研究计划局（DARPA）正在探索物理学中最新、最奇特的前沿领域之一：交变磁学。

　　最近，该机构的国防科学办公室（DSO）发布了一份题为“交变磁学设备”的信息征询书（RFI），邀请研究人员帮助规划一条能够利用这种奇异磁行为的实用电子和自旋电子技术的发展路线。

　　异磁效应听起来像是科幻小说里的情节。它结合了两种早已为人所知的磁性——铁磁性和反铁磁性。然而，它真正的魅力在于DARPA所称的“非相对论性自旋分裂”，这种现象使得材料能够表现出磁性，但不会产生任何净磁场。

　　实际上，异磁材料可以实现操纵电子量子自旋的电路，而不会像传统电子产品那样受到干扰、功耗或运行迟缓的影响。

　　该信息征询书指出，交变磁体“兼具铁磁体和反铁磁体的特征”。与反铁磁体类似，这些材料内部的磁自旋指向相反的方向，相互抵消。然而，与反铁磁体不同的是，这些自旋通过旋转对称性相互关联，这仍然允许能带分裂，这种特性更类似于铁磁体。

　　这种看似微小的结构差异可能带来变革。该机构指出，交变磁体“可能避开铁磁体和反铁磁体在设计自旋电子器件时面临的主要障碍”。这使得设计“超低能耗计算”技术成为可能，其能效远超传统半导体架构。

　　如果成功，该项目将为一种全新的计算系统奠定基础，这种系统比现有的任何系统都更小、更快，并且能效高出几个数量级。

　　自旋电子学（Spintronics），即“自旋运输电子学”，也称磁电子学，是一门新兴的学科和技术。目前已经进入了现实世界。现代硬盘、磁传感器和新兴的磁随机存取存储器（MRAM）芯片都依赖于电子的量子自旋（而非电荷）来读取、存储或感知信息。这些技术快速、耐用且节能。然而，它们对自旋的利用仍然有限。

　　DARPA正在寻求技术突破，利用自旋不仅存储数据，还能进行计算。这需要能够像晶体管操控电荷一样快速、精确地切换和控制自旋状态的材料。现有的方案存在不足。铁磁体虽然易于磁化，但会产生干扰磁场，并且切换速度太慢，无法进行逻辑运算。反铁磁体可以避免干扰，但缺乏操控自旋极化电流所需的内部自旋分裂。

　　然而，交变磁体可能会改变这种平衡。由于净磁化强度为零，且电子能带自然自旋分裂，它们提供了快速、无干扰自旋计算的诱人前景。这一突破最终可能使真正的自旋电子处理器成为现实。

　　最大的问题是，目前还没有人知道如何用交变磁体构建一个可工作的器件。DARPA在信息征询书中表示，“虽然已经提出了几种器件切换方案，但这些想法仍未经实验验证。”

　　此外，正如DARPA指出的那样，“交变磁性的表征也是一个挑战。”目前验证交变磁性的“黄金标准”依赖于通常只用于大型物理设施的技术，以及自旋分辨光电子能谱、μ子自旋旋转和中子散射等方法。这意味着许多潜在的研究小组完全缺乏探索这些材料的基础设施，更不用说将它们集成到工作原型中了。

　　为了改变这种状况，DARPA正在征集关于使用交变磁化技术与最先进的计算架构相比预期改进类型的现实的、有数据或理论支持的信息。该机构还希望获得关于此类设备基本局限性以及使其实用化必须克服的技术障碍的反馈。

　　这表明DARPA探索该技术并非仅仅是出于好奇，而是认真地在为一项新的国家研究计划奠定基础，该计划可能与其他研究项目（例如，“INSPIRE”项目——研究神经系统如何在现实中处理信息，了解人脑如何构建现实）并行。

　　虽然DARPA的信息征询书并未明确提及国防应用，但其潜在影响显而易见。交变磁化设备可以成为超低功耗人工智能处理器、加密加速器或适用于太空和战场条件的抗辐射电子设备的基础。

　　长期以来，美国战争部一直在寻求降低已部署系统的功率需求，无论是在卫星、自主无人机还是可现场部署的传感器中。交变磁化技术或许能将计算能耗成本大幅降低，从而实现边缘计算的持续监控和决策，无须持续补给或冷却。

　　它或将能改变安全通信。基于交变磁化的自旋电子器件或许能够实现电子自旋的量子级控制，为防篡改数据编码和安全硬件架构铺平道路，这些架构本身就能抵御多种形式的网络攻击。

　　所有这些潜在的国防应用也可能产生其他的影响，远远超出战场范畴，深刻地影响商业技术领域。例如，今年早些时候发表的一项研究表明，美国在全球反恐战争高峰期削减燃料成本的举措，无意间助长了美国现代清洁能源的繁荣发展。 （高飞）