劉路橋利用一種稱為電子自旋的量子特性來構建低功耗、高性能的計算機存儲器和可編程計算機芯片。

劉路橋是那種寧愿把玩具拆開看效果也不愿按原樣玩的孩子。

好奇心一直是他一生的驅(qū)動力，這使他進入了麻省理工學院，劉是麻省理工學院電氣工程與計算機科學系新任副教授，也是電子研究實驗室的成員。

他現(xiàn)在沒有拆開東西，而是使用新材料和納米級制造技術來構建下一代電子產(chǎn)品，這些電子產(chǎn)品的功耗比傳統(tǒng)設備低得多。他說，好奇心仍然派上用場，特別是因為他和他的合作者在自旋電子學這個基本上未知的領域工作——這個領域直到 1980 年代才出現(xiàn)。

“我們在工作中必須克服許多挑戰(zhàn)。在自旋電子學中，從根本上可以完成的工作與目前已經(jīng)完成的工作之間仍然存在差距。在獲得更好的材料和尋找新的機制方面還有很多需要研究，這樣我們才能達到越來越高的性能，”劉說，他也是麻省理工學院-IBM 沃森人工智能實驗室的成員。

電子是亞原子粒子，具有稱為自旋的基本量子特性。一種形象化的方法是想象一個圍繞自身旋轉(zhuǎn)的陀螺，它給出了陀螺的角動量。那個角動量是陀螺的質(zhì)量、半徑和速度的乘積，被稱為它的自旋。

雖然電子在技術上并不像陀螺那樣繞軸旋轉(zhuǎn)，但它們確實具有相同類型的自旋。它們的角動量可以指向“向上”或“向下”。工程師可以利用電子自旋的二進制性質(zhì)，而不是使用正電荷和負電荷來表示電子設備中的二進制信息（1 和 0）。

由于改變電子自旋方向所需的能量較少，因此電子自旋可用于開關電子設備中的晶體管，其功耗遠低于傳統(tǒng)電子設備。晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分，用于調(diào)節(jié)電信號。

此外，由于它們的角動量，電子表現(xiàn)得像微小的磁鐵。研究人員可以使用這些磁性來表示信息并將其存儲在計算機內(nèi)存硬件中。Liu 和他的合作者旨在加速這一過程，消除阻礙低功耗、高性能計算機存儲設備的速度瓶頸。

被磁力吸引

劉研究計算機存儲硬件和自旋電子學的道路始于冰箱磁鐵。小時候，他想知道為什么磁鐵會粘在冰箱上。

早期的好奇心幫助激發(fā)了他對科學和數(shù)學的興趣。隨著他在高中和大學深入研究這些科目，學習更多有關物理、化學和電子學的知識，他對磁學及其在計算機中的應用的好奇心加深了。

當他有機會在康奈爾大學攻讀博士學位并加入一個研究磁性材料的研究小組時，劉找到了完美的搭檔。

“在接下來的五六年里，我一直在尋找新的、更有效的方法來產(chǎn)生電子自旋電流，并用它來將信息寫入磁性計算機存儲器，”他說。

在對研究世界著迷的同時，劉希望嘗試自己的行業(yè)生涯，因此他在研究生畢業(yè)后加入了 IBM 的 TJ Watson 研究中心。在那里，他的工作重點是為計算機開發(fā)更高效的磁性隨機存取存儲器硬件。

“讓一些東西終以商業(yè)可用的格式運行是非常重要的，但我發(fā)現(xiàn)自己并沒有完全投入到這種微調(diào)工作中。我想展示非常新穎的工作的可行性——證明一些新概念是可能的，”劉說。他于 2015 年加入麻省理工學院擔任助理教授。

重大事項

劉近在麻省理工學院的一些工作涉及使用納米級反鐵磁材料構建計算機存儲器。反鐵磁材料，如錳，含有由于電子自旋而充當微小磁鐵的離子。它們自行排列，使“向上”旋轉(zhuǎn)的離子和“向下”旋轉(zhuǎn)的離子彼此相反，因此磁性相互抵消。

因為它們不產(chǎn)生磁場，所以反鐵磁材料可以更緊密地堆積在存儲設備上，從而提高存儲容量。劉解釋說，它們?nèi)狈Υ艌鲆馕吨孕隣顟B(tài)可以在“向上”和“向下”之間非常快速地切換，因此反鐵磁材料可以比傳統(tǒng)材料更快地切換晶體管。

“在科學界，是否可以通過電氣方式切換這些反鐵磁材料內(nèi)部的自旋方向一直存在爭議。通過實驗，我們證明你可以，”他說。

在他的實驗中，劉經(jīng)常使用幾年前才創(chuàng)造出來的新材料，因此它們的所有特性都還沒有被充分理解。但他喜歡將它們集成到設備中并測試其功能的挑戰(zhàn)。尋找更好的材料來利用計算機存儲器中的電子自旋可以使設備使用更少的能量、存儲更多的信息并將這些信息保留更長的時間。

劉利用MIT.nano內(nèi)的設備，這是一個共享的 214,000 平方英尺的納米級研究中心，用于構建和測試納米級設備。他說，觸手可及的這種的設施對他的研究來說是一個福音。

但對劉來說，人力資本才是他工作的真正動力。

“同事和學生是麻省理工學院寶貴的部分。能夠討論問題并與世界上聰明的人交談，這是做這份工作愉快的經(jīng)歷，”他說。

他、他的學生和同事正在推動自旋電子學這個年輕領域向前發(fā)展。

未來，他設想將反鐵磁材料與現(xiàn)有技術結合使用，以創(chuàng)建性能更好的混合計算設備。他還計劃深入探索量子技術領域。例如，自旋電子學可用于有效控制量子電路中的信息流，他說。

在量子計算中，信號隔離至關重要——信息必須僅沿一個方向從量子電路流向外部電路。他正在探索使用一種稱為自旋波的現(xiàn)象，這是磁性材料內(nèi)部電子自旋的激發(fā)，以確保信號僅沿一個方向移動。

無論他是在研究量子計算還是探索新材料的特性，有一件事是正確的——劉繼續(xù)被永不滿足的好奇心所驅(qū)使。

“我們正在不斷探索、深入研究許多令人興奮和具有挑戰(zhàn)性的新課題，以實現(xiàn)使用自旋電子學制造更好的計算存儲器或數(shù)字邏輯設備的目標，”他說。