科学家将自旋损耗转化为能量，开启超低功耗AI芯片新时代

自旋电子学是一项利用电子的“自旋”特性来存储和控制信息的技术。因其比传统半导体功耗更低、非易失性更强，正被公认为下一代信息处理技术的关键基础，例如超低功耗存储器、神经形态芯片以及用于概率计算的计算设备。这项研究具有重要意义，因为它提出了一种可显著提高这些自旋电子器件效率的新方法。

一个研究团队发现了一种新的物理现象，该现象能使磁性材料在无外部刺激的情况下自发切换其内部磁化方向。磁性材料是通过改变内部磁化方向来存储信息或执行计算的下一代信息处理设备的关键。例如，若磁化方向向上则识别为"1"，向下则识别为"0"，从而实现数据存储或计算。

传统上，为了翻转磁化方向，需要施加强电流迫使电子自旋进入磁体。然而该过程会导致自旋损耗——部分自旋未到达磁体就被耗散，这被认为是造成能源浪费和效率低下的主要根源。

研究人员一直致力于通过材料设计和工艺改进来降低自旋损耗。但如今该团队发现，自旋损耗实际上会产生反向效应——改变磁化状态。这意味着自旋损耗能诱导磁性材料内部发生自发磁化翻转，正如气球在泄气时会因反作用力而移动。

实验中，团队验证了这个悖论：自旋损耗越大，翻转磁化所需功耗反而越小。其能效比传统方法提升高达三倍，且无需特殊材料或复杂器件结构即可实现，具有高度实用性和工业可扩展性。

此外，该技术采用与现有半导体工艺兼容的简易器件结构，具备高度量产可行性，同时有利于微型化与高集成化。这将推动AI半导体、超低功耗存储器、神经形态计算及概率计算设备等多领域应用。特别是面向AI和边缘计算的高效能设备开发预计将全面展开。

韩国科学技术研究院（KIST）首席研究员韩东洙博士表示："迄今为止自旋电子学领域始终聚焦于减少自旋损耗，而我们开辟了新方向——利用损耗能量诱导磁化翻转。因其可为AI时代不可或缺的超低功耗计算技术奠定基础，我们计划积极推进超微型低功耗AI半导体器件的开发。"

本研究由韩国科学技术信息通信部（部长裴均勋）通过KIST机构项目、全球顶尖研发项目（GTL24041-000）及韩国国家研究基金会基础研究项目（2020R1A2C2005932）提供支持。研究成果发表于国际期刊Nature Communications（影响因子15.7，JCR分区前7%）最新一期。