2025年12月8日
布爾諾理工大學（Brno University of Technology）CEITEC (Central European Institute of Technology) 的物理學家開發出一種全新方法，可用於測量短自旋波的特性。自旋波可被視為磁性材料中的波動，能夠用來傳遞資訊。短自旋波在新一代運算裝置中具有潛在應用價值，例如用於電腦與手機的晶片。這項新方法突破了過去被認為難以克服的研究瓶頸。研究團隊歷時多年的成果已發表於國際權威期刊《Science Advances》。
布爾諾理工大學機械工程學院的 Jakub Krčma 與 CEITEC BUT 的 Ondřej Wojewoda 主要研究磁振子學（magnonics），這是一門專注於自旋波的物理學領域。現任職於美國麻省理工學院材料科學與工程系（DMSE）的 Wojewoda 表示：「我們可以將自旋波想像成磁性材料中大量彼此作用的指南針指針所產生的集體運動。換言之，它是一種在材料內部傳播、同時攜帶編碼資訊的波動。」
為了研究自旋波，科學家通常使用一種稱為布里淵光散射顯微術（Brillouin light scattering microscopy，µBLS）的光學技術。這項技術可被比喻為一個雷射放大鏡，透過物鏡將雷射聚焦在樣品的極小區域，並從光與材料互動後的變化中讀取相關資訊。然而，這種「放大鏡」存在限制，只能有效觀測波長大於 300 奈米的波動，對於更短的自旋波則無法測量。
300 奈米聽起來並不算大，畢竟奈米僅為百萬分之一毫米，約相當於部分病毒的尺度。然而，在現代電子技術中，300 奈米卻已遠大於先進晶片中電晶體的尺寸。若要將自旋波應用於現代電子裝置，這項限制便成為一大障礙。對於晶片微型化至關重要的短自旋波，過去根本無法以此方法測量。
此前，唯一能測量更短自旋波的方式是使用體積龐大且成本高昂的同步加速器，但即便如此，也無法成功捕捉這些短波，自旋波研究因此長期陷入瓶頸。
Mie BLS：迫使光「改變遊戲規則」的方法
在發表於《Science Advances》的最新研究中，科學家提出了一種名為 Mie BLS 的新方法，成功移除了這道長期被視為不可突破的障礙。該方法是在樣品表面放置極薄的矽條（奈米共振器），作為光的「放大器」與「導引透鏡」。
Jakub Krčma 解釋道：「藉由米氏共振（Mie resonance），我們可以聚焦並放大光，使其不再受自身波長的限制。奈米共振器扮演中介角色，讓光得以與先前無法觀測到的短自旋波進行互動。」
Ondřej Wojewoda 補充表示：「這項技術的突破性在於，它是在既有光學方法的基礎上加以改良，使我們即使使用標準實驗室設備，也能輕鬆測量短自旋波。」研究團隊因此成功突破了長期存在的技術障礙。
隨著短自旋波得以被觀測與測量，所謂的「磁振子晶片」（magnonic chips）設計與製造也成為可能。這類晶片以短自旋波作為資訊傳輸媒介，可能徹底改變運算技術的能力。由於自旋波不攜帶電荷，不會像電流一樣產生熱量，因此可避免過熱問題。此外，其能耗可比現有電子技術低達二十倍，這在當前高度關注能源消耗的背景下尤為重要。
除了運算技術之外，這項方法也可應用於材料科學、生物學，或關鍵元件微裂縫的診斷，例如在航太產業中的應用。
