研究人员在阿贡国家实验室纳米尺度材料中心研究了一种简单的几何递进。

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美国研究人员发现了一条简单的几何设计规则，可以帮助工程师构建可靠、超低能耗的计算系统。该团队还强调，现代电子设备依赖数十亿个微小开关，这些开关每次开启或关闭都会消耗电能。

因此，研究人员一直在寻找能以少得多的能量完成相同任务的替代方案。

超低能耗计算

现在，一项由阿贡国家实验室牵头的研究揭示了一条几何规则，它决定了纳米磁体团簇在弛豫到稳定状态时，其行为是可预测的还是概率性的。这一发现挑战了标准建模假设，并为超低能耗计算开辟了新可能。

“我们发现的是结构与功能之间的关系，”该研究第一作者、阿贡国家实验室材料科学家 Hanu Arava 说。

“在我们的研究中，结构是磁体相对于彼此的几何排列，功能则是能量在系统中如何流动。我们已经证明，仅凭几何结构就能决定能量在这些磁系统中的流动方式，这一认识为我们设计计算器件提供了新途径。”

为了帮助解释这一过程，Arava 将其比作从山顶扔下一个球。球自然沿着最容易的路线滚下山坡，直到到达最低点。科学家称这条路线为能量弛豫路径——即系统朝最稳定状态移动时所遵循的路径。据新闻稿介绍，在纳米磁体系统中，磁体通过磁场以更复杂的方式相互作用，但它们遵循同样的基本原理：一步步朝着能量最低的构型移动。

为了揭示这种关系，研究人员在美国能源部科学办公室用户设施——阿贡国家实验室纳米尺度材料中心研究了一种简单的几何递进。他们从四个排列成希腊十字（即加号）的纳米磁体开始，然后同时旋转所有四个磁体，直到它们形成一个正方形。据新闻稿称，在此过程中的不同间隔，团队测量了系统如何弛豫到最稳定状态。

理解能量弛豫的直观框架

该研究发表在《Communications Materials》上，研究了一个由四个纳米磁体排列成方形格子的简单纳米磁体模型中中间态的性质。通过系统探索，研究人员通过多极分析证明了几何结构如何影响能量弛豫路径。

“我们详细阐述了能量弛豫路径的性质，这对理解人工自旋冰结构中的磁阻挫和亚稳态有直接影响。我们的理论模型得到了利用磁力显微镜测量进行场致弛豫的实验结果支持。这项工作为理解人工自旋冰结构中的能量弛豫提供了一个直观框架，”研究人员在研究中表示。

研究团队透露，尽管实验仅涉及四个纳米磁体，但其结果具有更广泛的意义。在更大的磁性器件中，数千个类似的团簇将需要协同工作。据研究人员称，这些新发现为工程师提供了一条简单的设计原则：调整磁体的旋转角度，以调节它们达到可预测最终状态的可靠性。

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