我們的電腦、智慧型手機和資料中心存在一個根本性問題：它們會發熱並消耗能源。這一切都是電子的錯，電子是攜帶訊息的粒子，它們在電路中運動時會遇到電阻，並以熱的形式耗散能量。物理學家長期以來一直在研究一種替代方案：「磁振子」 。
現在，特拉華大學 (UD) 的工程師們在著名期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表的一項理論研究發現了一個缺失的環節，這可能會徹底改變電腦技術。
什麼是「magnoni」？為什麼它們更好？
磁性源自於電子的一種稱為「自旋」的特性（我們可以把它想像成一個旋轉的陀螺，指向「向上」或「向下」）。在磁性材料中，這些自旋是相互連接的。
「想像一下，有一根彈簧連接著所有這些旋轉，」資深作者、特拉華大學教授馬修·多蒂解釋。 “如果我使其中一個旋轉發生偏轉，就像拉動彈簧一樣。下一個旋轉發生偏轉，然後是下一個……就這樣形成了一個波。”
這種波，即磁漣漪，就是磁振子。它確實可以被視為所有電子自旋的擾動，但像所有擾動一樣，它也攜帶訊息。
關鍵優勢在於，磁振子無需物理移動電荷即可傳遞訊息（透過自旋方向的變化）。電荷移動越少，電阻就越小，因此以熱能形式損失的能量就越少。
克服反鐵磁體的障礙
研究人員將目光聚焦於一類特殊的材料－反鐵磁（AFM）材料，這類材料中電子自旋交替出現（上、下、上、下）。這些材料極具應用前景，因為其內部的磁振子以太赫茲頻率傳播——比目前使用的標準鐵磁性材料快約一千倍。
然而，有一個小問題：由於反向自旋會相互抵消，因此探測和控制這些超高速磁振子一直是技術上的難題。直到現在。
馬格諾內以波的形式運動
這項發現：產生張力的磁波
利用先進的電腦模擬技術，該大學 CHARM 中心的研究人員發現了一些意想不到的事情：這些材料中的行動磁振子可以產生可偵測的電訊號。
「研究結果預測，我們可以透過測量磁振子產生的電極化來探測它們，」多蒂說。
本質上，團隊建立了一個數學框架，展示了磁振子的「軌道角動量」（圓週運動）如何與材料中的原子相互作用，從而產生電極化。簡單來說：運動的磁波會產生可測量的電壓。
這項發現無疑是雙重打擊：
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檢測：提供了一種利用簡單的電壓「讀取」磁振子所攜帶訊號的便捷方法。
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控制：暗示了相反的可能性，即利用外部電場（例如光場）來控制磁振子的運動。
如果磁振子能夠傳輸可偵測的訊號（即資訊），那麼它就可以應用於晶片內部，而且不會像電子那樣產生問題。另一個優點是，由於傳輸的不是電子而是訊息，因此建構路徑重疊的複雜電路也不會有問題，因為交叉點不會造成乾擾。
左側是包含電子的電路，右側是包含磁振子的電路，兩者之間的差異在於：
這意味著：更有效率、速度更快的計算機
特拉華大學的研究團隊目前正進入實驗階段，以驗證他們的理論預測。如果得到證實，這將對未來的運算領域產生重大影響，為結合磁能和電能的混合晶片鋪平道路。
實際優勢包括：
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混合晶片：磁性系統和電氣系統的直接整合。
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極速：以太赫茲頻率進行資料傳輸（比目前的吉赫茲頻率快得多）。
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能源效率：由於不再需要實體移動電子來處理數據，因此大幅降低了熱量和電力消耗。
在一個對運算能力渴求的世界裡，資料中心的能源消耗正日益成為一個經濟和環境問題，這不僅僅是一個學術上的好奇心，而是一個潛在的技術解決方案。
問答
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磁振子究竟是什麼？它為何如此重要？磁振子並非物理粒子，而是一種“準粒子”，它描述了材料中電子自旋（磁取向）的集體波。它就像在麥田中傳播的波。磁振子在電腦領域的重要性在於，它無需移動電荷即可傳輸訊息。目前的晶片透過移動電子來傳遞訊息，摩擦（電阻）會產生熱量。而磁振子由於無需移動電荷，因此可以實現幾乎零能量損耗的資料處理，從而顯著降低發熱量和功耗。
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為什麼這項發現現在才顯得格外重要？磁振子的存在早已為人所知，但它們的實際應用卻十分複雜。尤其是在反鐵磁性材料（運動速度最快）中，自旋方向相反的磁振子會相互抵消，導致淨磁訊號幾乎為零，因此極難偵測。特拉華大學的這項發現至關重要，因為它表明這些「隱藏的」磁振子在運動過程中會產生一種次級電訊號（極化）。與微弱的磁訊號相比，這種電訊號更容易測量，也更容易操控。
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「太赫茲速度」對最終用戶意味著什麼？它意味著與現有處理器相比，速度有望提升約一千倍。現今的CPU運作頻率在千兆赫茲範圍內（每秒數十億次循環），而太赫茲（THz）則代表每秒數兆次循環。如果這項技術得以應用，將實現近乎瞬時的資料處理和運算能力的大幅提升，同時能耗卻大幅降低。它有望徹底改變從人工智慧到行動裝置等各個領域，消除與散熱和傳輸速度相關的瓶頸。
文章《晶片革命：「磁振子」（磁波）可以徹底改變運算》來自Scenari Economici 。
這是在 Fri, 14 Nov 2025 20:15:05 +0000 在 https://scenarieconomici.it/una-rivoluzione-nei-chip-i-magnoni-onde-magnetiche-possono-rivoluazionale-linformatica/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。