科学家实现自旋损耗能量转化，解锁超低功耗AI芯片潜力

自旋电子学是一种利用电子的“自旋”特性来存储和控制信息的技术。与传统半导体相比，它具有功耗更低、非易失性更强的优点，因此正被视为超低功耗存储器、神经形态芯片和用于随机计算的计算设备等下一代信息处理技术的关键基础。这项研究具有重要意义，因为它提出了一种可显著提高此类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，该现象允许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，若磁化方向向上被识别为“1”，向下则识别为“0”，从而实现数据存储或计算。

传统上，为了反转磁化方向，需施加强电流迫使电子自旋进入磁体。然而，此过程会导致自旋损失——部分自旋未能到达磁体而被耗散，这一直被视为功耗浪费和效率低下的主要根源。

研究人员过去专注于通过材料设计和工艺改进来减少自旋损失。但如今，该团队发现自旋损失实际上会产生相反的效应：它能改变磁化状态。这意味着自旋损失可诱发磁性材料内部的自发磁化翻转，就像气球随着气球内空气被抽出而移动一样。

团队在实验中证实了一个悖论：自旋损失越大，切换磁化所需功耗反而越小。由此实现的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，因此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单器件结构，具备高度量产可行性，并有利于微型化和高集成度。这使得其可应用于人工智能半导体、超低功耗存储器、神经形态计算及基于概率的计算设备等诸多领域。特别是面向人工智能和边缘计算的高效能计算设备开发预计将全面展开。

韩国科学技术研究院(KIST)高级研究员董素汉博士表示：“迄今为止，自旋电子学领域仅专注于减少自旋损失，但我们通过利用损耗能量诱发磁化翻转，开辟了新方向。因其能成为人工智能时代不可或缺的超低功耗计算技术基础，我们计划积极开发超小型低功耗人工智能半导体器件。”

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《自然通讯》（最新影响因子15.7，JCR领域排名前7%）最新一期。