变形磁铁如何帮助制造低排放计算机

您用来阅读本文的设备几乎肯定是通过将​​零和一放置在半导体（即硅）中来运行的，而半导体需要不断的电力才能运行。

在一个力争实现净零碳排放的世界里，这种能源使用方式是行不通的。幸运的是，研究人员正在努力从根本上改变计算机的工作方式——这可能会带来功能强大、能耗更低的设备。其中一种方法就是制造一台带有磁铁的计算机。

密歇根大学的研究人员与芯片制造商英特尔合作，发明了一种新型铁合金，可能成为未来磁力计算机的主要特征。他们的研究成果最近发表在《自然通讯》上。

他们的合金充当磁致伸缩器。这意味着它依赖于这样一个事实：当你将磁性材料（例如铁）置于磁场中时，该材料会微妙地变形。通过添加其他金属（合金是金属元素的混合物）并微调它们的比例，你可以制造出磁致伸缩性更强的合金，或者在磁场变化时更灵活。

如今，磁致伸缩器件帮助我们制造出高质量的传感器，因为我们可以在磁场（即使是很弱的磁场）存在的情况下检测到良好磁致伸缩器件形状的变化。通过使用电流产生磁场，可以迫使磁致伸缩器件变形。通过这种方式，可以相对轻松地将电流的电能转换为磁致伸缩器件形状改变的机械能。

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那是一种强大的能力。未来，磁致伸缩器件可能使我们能够利用微小、可变的磁场来形成构成我们所有计算设备隐形基石的零和一。

然而，近年来，磁致伸缩器件在材料科学领域逐渐被边缘化。“人们已经把磁致伸缩器件抛之脑后了，”密歇根大学材料科学家、该论文作者之一约翰·海伦 (John Heron) 说道。

但有理由关注它们。当今最好的磁致伸缩器依赖于铽和镝等稀土金属。稀土往往（可以预见）稀有且昂贵。开采和提取稀土是一个困难的过程，通常会产生有毒废物。而且，由于大部分生产由中国控制，全球稀土贸易很容易受到变化无常的地缘政治和中美贸易争端的影响。

这也是为什么 Heron 和他的同事试图通过将铁与一种更便宜、更容易获得的元素镓混合来制造更好的磁致伸缩器的原因之一。镓是一种柔软的银色金属，在自然界中仅以微量元素的形式存在于铝和锌矿石中。纯镓的熔点非常低，以至于它在你手中会变成液体。

密歇根大学的研究人员并不是第一批使用镓制造磁致伸缩材料的研究人员，但他们的前辈已经遇到了令人棘手的限制。

“当镓的含量超过 20% 时，材料就不再稳定了，”Heron 说。“材料会改变对称性，改变晶体结构，其特性也会发生巨大变化。”首先，材料变形磁致伸缩性会大大降低。

为了突破这一限制，Heron 和他的同事必须阻止原子改变结构。因此，他们在相对较低的 320 华氏度（160 摄氏度）下制作合金，从而限制了原子的能量。这样可以将原子锁定在原地，防止它们移动，即使研究人员将更多的镓注入合金中也是如此。

通过这种方法，研究人员能够制造出含有高达 30% 镓的铁合金，从而创造出一种磁致伸缩性是稀土材料两倍的新材料。

这种新型、更有效的磁致伸缩器不仅可以帮助科学家制造出更便宜的计算机，而且还能帮助制造出不依赖稀土矿物（稀土矿物的开采会产生过多的碳）的计算机。

从总体上看，传统家用电脑并不会消耗过多的能源。但为互联网提供动力的巨型计算机数据中心则是另一回事。虽然它们的确切用电量和碳排放量存在争议，但不可否认的是，这些中心消耗了大量能源。

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为了减少这些能源需求，像 Heron 这样的研究人员希望制造出能够彻底改变计算机工作方式的设备。磁致伸缩器可能就是实现这一目标的一种方式。未来的计算机可能不再使用需要恒定电力的半导体，而是使用磁致伸缩器在磁场中工作。对于基本操作，此类设备只需要电力将零变为一，反之亦然，而不需要持续供电。

除了节能之外，这种计算机与现有的同类产品相比还有几个优势。如果它意外关闭，你不会丢失正在做的事情，因为磁场的碎片会保留在原处。工程师们还认为，扩大这些假想计算机的规格更容易，从而实现当今半导体可能无法实现的性能水平。
不过，这项技术仍处于起步阶段，因此尚不清楚我们何时甚至是否能在家庭中看到基于磁致伸缩器件的设备。“我预计它还要多少年才能成为 iPhone 技术？”Heron 说。“好吧，如果我幸运的话，20 年或 30 年。也许永远都不可能。”

“但展示基本点……是我们现在正在做的事情，”他说。