211service.com
En ny snurr på datoranvändning
En växande ansträngning pågår bland forskare för att hitta ett sätt att göra spintronik, manipulering av elektronernas spinn för att göra beräkning, praktiskt. Löftet är tydligt: spintronik kan leda till datorer som slås på omedelbart och elektronik som använder mycket mindre batterikraft, och även övervinna de hotande gränserna för Moores lag. Men utmaningarna med att använda spintronik för logiska operationer är också skrämmande. Inte minst bland dem är att hitta rätt material för att bygga praktiska kretsar. Under flera år har forskare studerat halvledare som galliumarsenid, dopade med element som mangan för att göra dem magnetiska. Men de fungerar bara i temperaturer under cirka minus 120°C – knappast ett alternativ för vanliga datorer.
MIT forskare Jagadeesh Moodera och hans team har utvecklat ett material som fungerar i rumstemperatur och är lätt att skapa. Materialet är indiumoxid, som liknar det material som används för att leda laddning i en bankomats pekskärm, med en liten mängd krom tillsatt för att göra det magnetiskt. Andra material som kan fungera, säger Moodera, inkluderar zinkoxid, som ofta används i solskyddsmedel, och titanoxid. Den magnetiska halvledaren skulle polarisera elektronernas spinn, som sedan flödar in i kiselchippet där kretsar skulle använda dem för att utföra beräkningar, medan en detektor, förmodligen gjord av samma material som spinninjektorn, skulle läsa av dem när de rinner ut.
Materialet behöver mer utveckling innan det kan testas i en verklig krets. Men Don Heiman , professor i fysik vid Northeastern University, kallar skapandet av en magnetisk halvledare som fungerar vid rumstemperatur för ett ganska stort genombrott.
Det finns faktiskt flera års arbete att göra för att bygga ett praktiskt datorchip baserat på spintronics, säger Moodera. Till exempel är det inte klart hur kislet och indiumoxiden interagerar vid den punkt där de berörs. Det är mycket svårt att kontrollera formen på materialet vid det gränssnittet, som är ungefär två atomlager tjockt, och det är möjligt att skillnader mellan de två materialen kan göra att elektronsnurrarna förlorar sin polarisering. Det kommer att krävas en hel del grundforskning bara för att förstå vad som händer i gränssnittet, säger Moodera, och mer arbete för att lära sig att kontrollera det. Och när de väl har byggt en fungerande spinninjektor måste forskarna fortfarande designa en spinndetektor och transistorn.
Spin-baserade kretsar är spännande eftersom de lägger till en ny dimension till datoranvändning. Medan elektronisk beräkning är baserad på elektronens negativa laddning, slås snabbt på och av strömmen för att göra den ett s och 0 I den digitala världen förlitar sig spintronics på forskarnas växande förmåga att manipulera en annan kvantmekanisk egenskap hos elektronen – en egenskap som kallas spin. Det är viktigt för en datorchipsindustri som ser till en tid då den inte kommer att kunna göra kretsar mindre. Nuvarande datorchips använder kiseltransistorer inskrivna med linjer som är mindre än 100 nanometer tjocka. Chiptillverkare fortsätter att krympa storleken på transistorer för att klämma in fler av dem på ett chip, men när de väl kommer ner till några nanometer i storlek kommer de att börja läcka elektroner. Moodera och andra hoppas att spintronics kommer att göra det möjligt för dem att göra mer datoranvändning med samma antal transistorer.
I en normal halvledare är en elektrons spinn arrangerad slumpmässigt; en pekar på det här sättet, en pekar på det. Men när en majoritet av elektronerna har samma spin, blir resultatet ett magnetfält. Det betyder att vilket datorchip som helst där snurren styrs kan fungera som ett icke-flyktigt minne, eftersom spinn förblir densamma tills en extern kraft verkar för att ändra det. Eftersom minnet är icke-flyktigt, vilket innebär att det inte kräver ett strömflöde för att fortsätta uppdatera informationen, använder det mycket mindre ström, vilket gör att batterierna håller längre och minskar risken för överhettning. Den tillåter också en transistor att använda både laddning och spinn och fungera som både en logisk gate och ett minne. Ett datorchip kan utföra samma uppgifter med färre kretsar, vilket ger utrymme att lägga till ytterligare kretsar utan att behöva göra enheterna ännu mindre.
Spintronic-enheter finns redan; hårddiskar lagrar mycket mer information än för ett decennium sedan, eftersom Moodera och andra utvecklade spintronics-baserade läshuvuden som kan upptäcka små förändringar i magnetism, vilket gör att fler och mindre bitar av data kan packas i samma utrymme. Och ett företag har börjat sälja magnetiskt slumpmässigt åtkomstminne, en annan spin-baserad teknik, som inte kräver ett strömflöde för att lagra data.
Men för att applicera spintronik på logiska kretsar måste forskare ta reda på hur man sätter in den spinn de vill ha i transistorn och hur man upptäcker den på andra sidan när kretsen har manipulerat den. De vill ha en tunn film som de kan placera ovanpå halvledaren och i vilken de kan använda magnetfältet för att rikta in elektronernas spinn, innan de transporterar de inriktade elektronerna in i halvledaren. Mooderas indiumoxid är en potentiell kandidat för en sådan film, när han väl förstår den och kan ta reda på hur han kan optimera den.
Moodera är ovillig att förutsäga hur lång tid det kommer att ta att bygga en praktisk spintronisk krets, även om han uppskattar att tusentals forskare i USA, Asien och Europa arbetar med det: Det kan ta 10 år, det kan bli sex. Det är svårt att säga. Men han pekar på hur spintronics har förbättrat hårddiskar från en kapacitet på några megabyte för 15 år sedan, när ingen ens hade tänkt på att använda spintronics, till nuvarande iPods som låter dig bära en 60-gigabyte enhet i fickan. Jag är en optimistisk forskare, säger han.