211service.com
Et nytt spinn på databehandling
En økende innsats er i gang blant forskere for å finne en måte å gjøre spintronikk, manipulering av elektronenes spinn for å gjøre databehandling, praktisk. Løftet er klart: spintronikk kan føre til datamaskiner som slår seg på umiddelbart og elektronikk som bruker langt mindre batteristrøm, og også overvinne de truende grensene for Moores lov. Men utfordringene med å bruke spintronikk til logiske operasjoner er også skremmende. Ikke minst blant dem er å finne det rette materialet for å bygge praktiske kretser. I flere år har forskere studert halvledere som galliumarsenid, dopet med elementer som mangan for å gjøre dem magnetiske. Men de fungerer bare i temperaturer under ca. minus 120°C – neppe et alternativ for daglige datamaskiner.
MIT-forsker Jagadeesh Moodera og teamet hans har utviklet et materiale som fungerer ved romtemperatur og som er enkelt å lage. Materialet er indiumoksid, som ligner på materialet som brukes til å lede ladning i en minibanks berøringsskjerm, med en liten mengde krom tilsatt for å gjøre den magnetisk. Andre materialer som kan fungere, sier Moodera, inkluderer sinkoksid, mye brukt i solkrem, og titanoksid. Den magnetiske halvlederen ville polarisere spinnene til elektronene, som deretter strømmer inn i silisiumbrikken der kretser ville bruke dem til å utføre beregninger, mens en detektor, sannsynligvis laget av samme materiale som spinninjektoren, ville lese dem når de strømmer ut.
Materialet trenger mer utvikling før det kan testes i en faktisk krets. Men Don Heiman , professor i fysikk ved Northeastern University, kaller etableringen av en magnetisk halvleder som fungerer ved romtemperatur et ganske stort gjennombrudd.
Faktisk, sier Moodera, er det flere års arbeid som må gjøres for å bygge en praktisk databrikke basert på spintronikk. For eksempel er det ikke klart hvordan silisiumet og indiumoksidet samhandler på punktet der de berører hverandre. Det er veldig vanskelig å kontrollere formen på materialet ved det grensesnittet, som er omtrent to atomlag tykt, og det er mulig at forskjeller mellom de to materialene kan føre til at elektronspinnene mister polarisasjonen. Det vil kreve en god del grunnleggende forskning bare for å forstå hva som skjer ved grensesnittet, sier Moodera, og mer arbeid for å lære hvordan man kontrollerer det. Og når de først har bygget en fungerende spinninjektor, vil forskerne fortsatt måtte designe en spinndetektor og transistoren.
Spinnbaserte kretser er spennende fordi de legger til en ny dimensjon til databehandling. Mens elektronisk databehandling er basert på den negative ladningen til elektronet, slår strømmen raskt av og på for å lage en s og 0 I den digitale verden er spintronikk avhengig av forskeres økende evne til å manipulere en annen kvantemekanisk egenskap ved elektronet – en egenskap kjent som spinn. Det er viktig for en databrikkeindustri som ser frem til en tid da den ikke vil være i stand til å gjøre kretsene mindre. Nåværende databrikker bruker silisiumtransistorer påskrevet med linjer mindre enn 100 nanometer tykke. Chipmakere fortsetter å krympe størrelsen på transistorer for å stappe flere av dem på en brikke, men når de kommer ned til noen få nanometer i størrelse, vil de begynne å lekke elektroner. Moodera og andre håper at spintronikk vil tillate dem å gjøre mer databehandling med samme antall transistorer.
I en normal halvleder er et elektrons spinn ordnet tilfeldig; en peker denne veien, en peker den. Men når flertallet av elektronene har samme spinn, er resultatet et magnetfelt. Det betyr at enhver databrikke der spinnene styres kan fungere som et ikke-flyktig minne, fordi spinn forblir den samme til en ekstern kraft virker for å endre det. Fordi minnet er ikke-flyktig, noe som betyr at det ikke krever strøm for å fortsette å oppdatere informasjonen, bruker det langt mindre strøm, noe som lar batteriene vare lenger og reduserer sjansen for overoppheting. Den lar også en transistor bruke både ladning og spinn og fungere som både en logisk port og et minne. En databrikke kan utføre alle de samme oppgavene med færre kretser, noe som gir rom for å legge til flere kretser uten å måtte gjøre enhetene enda mindre.
Spintronic-enheter finnes allerede; harddisker lagrer mye mer informasjon enn for et tiår siden, fordi Moodera og andre utviklet spintronics-baserte lesehoder som kan oppdage små endringer i magnetisme, slik at flere og mindre biter av data kan pakkes inn på samme plass. Og ett selskap har begynt å selge magnetisk tilfeldig tilgangsminne, en annen spinnbasert teknologi, som ikke krever strøm for å lagre data.
Men for å bruke spintronikk på logiske kretser, må forskere finne ut hvordan de skal sette spinnet de ønsker inn i transistoren og hvordan de kan oppdage det på den andre siden når kretsen har manipulert den. De vil ha en tynn film de kan plassere på toppen av halvlederen og der de kan bruke magnetfeltet til å justere spinnene til elektronene, før de transporterer de innrettede elektronene inn i halvlederen. Mooderas indiumoksid er en potensiell kandidat for en slik film, når han først forstår den fullt ut og kan finne ut hvordan han kan optimalisere den.
Moodera er uvillig til å forutsi hvor lang tid det vil ta å bygge en praktisk spintronisk krets, selv om han anslår at tusenvis av forskere i USA, Asia og Europa jobber med det: Det kan ta 10 år, det kan bli seks. Det er vanskelig å si. Men han peker på hvordan spintronics har forbedret harddisker fra kapasiteter på noen få megabyte for 15 år siden, da ingen en gang hadde tenkt på å bruke spintronics, til nåværende iPod-er som lar deg bære en 60-gigabyte-stasjon rundt i lommen. Jeg er en optimistisk forsker, sier han.