Найменший "чи" у світі

Вперше реалізована функціональна спінтронічна логічна складова, яка складається з декількох магнітних атомів

На малюнку показана структура найменшого у світі нано-спінтронних логічних воріт. Трикутні структури - це магнітні кобальтові острови висотою двох атомних шарів, а жовті сфери символізують окремі атоми заліза. Червона і зелена стрілка вказує на магнітну орієнтацію. Розмір фактичного логічного затвора з трьох атомів заліза становить близько трьох нанометрів. © А. А. Хаджеторіан, Дж. Вібе / Гамбургський університет
читати вголос

Гамбурзькі фізики вперше реалізували функціонуючу спінтронну логічну складову, яка складається з кількох магнітних атомів. Як повідомляє науковий журнал "Science", при перемиканні реалізованого логічного АБО затвора, на відміну від звичайних електронних компонентів, струм потоку не потрібен, оскільки перемикається лише магнітна орієнтація атомів.

На думку дослідників, цей вражаючий прорив у галузі нано-спінтроніки виявляє, як можуть виглядати майбутні будівельні блоки комп'ютера: невеликий атомний розмір, швидкість до 10 000 гігагерц і майже без споживання енергії!

Перспективна спінтроніка

Кожен власник мобільного комп’ютера знає проблему: у потужних пристроїв занадто швидко вичерпується енергія, оскільки акумулятор знову магічно порожній. Особливо це стосується сучасних смартфонів, оскільки вони часто тривають лише один робочий день, перш ніж їх потрібно терміново підключити. Це пояснюється яскравими дисплеями та звичайною напівпровідниковою електронікою, яка використовує електричний заряд для обробки даних.

Оскільки мініатюризація напівпровідникових пристроїв незабаром досягає своїх меж, він давно шукає нову концепцію для логічних пристроїв у найменших масштабах. Перспективний підхід пропонує спінтроніка. У цій технології використовується не тільки заряд електронів, але і їх «віджимання».

Спін: обертання електронів навколо власної осі

Цей спін електронів є квантовою механічною властивістю і його можна зрозуміти просто як обертання електронів навколо власної осі. Це обертання створює магнітний момент, і тому можна легко побачити один електрон як крихітну голку компаса, яка спрямована на північ чи південь, залежно від того, як обертається електрон. дисплей

Щоб реалізувати свій абсолютно новий нано-спінтронічний компонент, фізики навколо Олександра Каджеторіана та Єнса Віба з Гамбурзького університету застосували кобальт до поверхні міді. Це призвело до трикутних островів, які складаються з близько 100 атомів кобальту. Потім дослідники використовували атомно гостру голку так званого скануючого тунельного мікроскопа як інструмент для з'єднання двох островів кобальту з ланцюжками окремих атомів заліза.

Атом заліза як вихідна одиниця

На думку дослідників, важливо було, щоб атоми заліза були розташовані з певними інтервалами один до одного та до островів кобальту на поверхні міді. Два острови кобальту є вхідними одиницями магнітної інформації, що обробляється. Посередині спінтронічного компонента, де зустрічаються два ланцюги, на думку вчених, є один атом заліза, що виконує функцію вихідної одиниці, і, залежно від вхідних даних, над островами кобальту перемикається на логічну.

Магнітний стан вихідного атома зчитується за допомогою чутливої ​​до спина голки скануючого тунельного мікроскопа, покритого магнітним матеріалом. Завдяки визначеним відстаням атомів заліза один до одного та до островів кобальту, спини атомів набувають антипаралельного стану, тобто крихітні голки компаса спрямовують від атома до атома в протилежних напрямках, вважають дослідники.

Зображення логічного затвору нано-спінтроніки, який зчитувався голкою спринцювального скануючого тунельного мікроскопа. Компонент являє собою або воротаº, тобто якщо спін з обох вхідних островів спрямований вниз (D), спін вихідного атома також спрямований вниз (синій). Якщо спини одного або обох островів спрямовані вгору (AC), то спіна вихідного атома також спрямована вгору (червона). А. А. Хаджеторіани, Дж. Вібе / Гамбургський університет

Голки компаса грають в доміно

Тепер міняйте магнітну орієнтацію двох вхідних островів, потім спини атомів заліза знову вирівнюються проти паралельно островам і подібно до гри доміно нахиляють голки компаса одна за одною і пристосовуються до нових Вхід до. Вихідний атом перемикається на логічний.

Як уже було зазначено в попередній роботі гамбурзьких вчених, процес перемикання відбувається одним з обертів за надзвичайно короткий час, один десяток трильйони секунди, що може очікувати надзвичайно швидких частот комутації нових компонентів.

Переваги нано-спінтроніки

Вперше в Гамбурзі дослідникам вдалося експериментально продемонструвати переваги нано-спінтроніки в атомному масштабі:

Більш висока енергоефективність

Оскільки для комутації компонентів нано-спінтроніки не потрібен електричний струм, ці компоненти споживають значно менше енергії, ніж звичайні напівпровідникові компоненти. Потужні мобільні пристрої, які не потрібно заряджати тижнями, можливо. Зважаючи на глобальний дефіцит енергоресурсів, підвищення енергоефективності комп'ютерних процесорів є однією з ключових проблем епохи інформації.

Швидші компоненти

Значно більші тактові частоти роблять сучасні напівпровідникові системи важкими для створення, оскільки при транспортуванні заряду на більш високих частотах виробляється більше відпрацьованого тепла, що не тільки призводить до великих втрат енергії, але й руйнує напівпровідниковий ланцюг Можна. Оскільки в наноспінтронному компоненті, розробленому гамбурзькими дослідниками, не транспортується заряд, немає теплових проблем і, таким чином, тактові швидкості до 10 000 гігагерців можливі.

Менші компоненти

Оскільки компоненти наноспінтроніки можуть бути побудовані з декількох атомів у спосіб, що демонструється тут логічними воротами, можливі як значно менші, так і складніші компоненти, ніж за допомогою звичайної напівпровідникової технології.

Енергонезалежна пам'ять

Використання спіна як передавача інформації має ще одну перевагу. Вся інформація зберігається навіть після вимкнення компонента, оскільки вони зберігаються магнітно, а не в електронному вигляді. Це дозволить усунути нудний процес завантаження при запуску комп'ютера Spintronics, система просто продовжуватиме роботу, як ніби її ніколи не вимикали. Крім того, на думку фізиків, можливі нові гібридні компоненти, які містять пам'ять та обчислювальні компоненти. (Science, 2011; doi: 10.1126 / science.1201725)

(Спільні дослідницькі центри 668, 06.05.2011 - DLO)