211service.com
Een nieuwe draai aan computergebruik
Onderzoekers doen steeds meer moeite om een manier te vinden om spintronica, de manipulatie van de spin van elektronen om computers te doen, praktisch te maken. De belofte is duidelijk: spintronica kan leiden tot computers die onmiddellijk worden ingeschakeld en elektronica die veel minder batterijvermogen gebruikt, en ook de dreigende limieten van de wet van Moore te overwinnen. Maar de uitdagingen bij het gebruik van spintronica voor logische bewerkingen zijn ook ontmoedigend. Niet de minste daarvan is het vinden van het juiste materiaal om praktische circuits te bouwen. Sinds enkele jaren bestuderen onderzoekers halfgeleiders zoals galliumarsenide, gedoteerd met elementen zoals mangaan om ze magnetisch te maken. Maar die werken alleen bij temperaturen onder ongeveer min 120°C - nauwelijks een optie voor alledaagse computers.
MIT-onderzoeker Jagadeesh Moodera en zijn team hebben een materiaal ontwikkeld dat werkt bij kamertemperatuur en gemakkelijk te maken is. Het materiaal is indiumoxide, vergelijkbaar met het materiaal dat wordt gebruikt om lading te geleiden in het aanraakscherm van een geldautomaat, waaraan een kleine hoeveelheid chroom is toegevoegd om het magnetisch te maken. Andere materialen die zouden kunnen werken, zegt Moodera, zijn onder meer zinkoxide, dat veel wordt gebruikt in zonnebrandcrème, en titaniumoxide. De magnetische halfgeleider zou de spin van de elektronen polariseren, die vervolgens in de siliciumchip stromen waar circuits ze zouden gebruiken om berekeningen uit te voeren, terwijl een detector, waarschijnlijk gemaakt van hetzelfde materiaal als de spin-injector, ze zou lezen terwijl ze naar buiten stromen.
Het materiaal heeft meer ontwikkeling nodig voordat het in een echt circuit kan worden getest. Maar Don Heiman , een professor in de natuurkunde aan de Northeastern University, noemt de creatie van een magnetische halfgeleider die werkt bij kamertemperatuur een behoorlijk grote doorbraak.
Inderdaad, zegt Moodera, er is nog een aantal jaren werk aan de winkel om een praktische computerchip te bouwen op basis van spintronica. Het is bijvoorbeeld niet duidelijk hoe het silicium en het indiumoxide op elkaar inwerken op het punt waar ze elkaar raken. Het is erg moeilijk om de vorm van het materiaal te controleren op dat grensvlak, dat ongeveer twee atoomlagen dik is, en het is mogelijk dat verschillen tussen de twee materialen ervoor kunnen zorgen dat de elektronenspins hun polarisatie verliezen. Er zal behoorlijk wat basisonderzoek nodig zijn om te begrijpen wat er op de interface gebeurt, zegt Moodera, en meer werk om te leren hoe je het kunt besturen. En als ze eenmaal een werkende spin-injector hebben gebouwd, moeten onderzoekers nog steeds een spin-detector en de transistor ontwerpen.
Op spin gebaseerde circuits zijn intrigerend omdat ze een nieuwe dimensie toevoegen aan computergebruik. Terwijl elektronisch computergebruik is gebaseerd op de negatieve lading van het elektron, schakelt het snel in- en uitschakelen van de stroom om de een s en 0 In de digitale wereld vertrouwt spintronica op het groeiende vermogen van wetenschappers om een andere kwantummechanische eigenschap van het elektron te manipuleren: een eigenschap die bekend staat als spin. Dat is belangrijk voor een computerchipindustrie die uitkijkt naar een tijd waarin het niet in staat zal zijn om circuits kleiner te maken. De huidige computerchips maken gebruik van siliciumtransistoren die zijn gegraveerd met lijnen van minder dan 100 nanometer dik. Chipmakers gaan door met het verkleinen van transistors om er meer van op een chip te proppen, maar zodra ze tot een paar nanometer groot worden, beginnen ze elektronen te lekken. Moodera en anderen hopen dat spintronica hen in staat zal stellen meer te computeren met hetzelfde aantal transistors.
In een normale halfgeleider is de spin van een elektron willekeurig gerangschikt; één wijst deze kant op, één wijst dat. Maar wanneer een meerderheid van de elektronen dezelfde spin heeft, is het resultaat een magnetisch veld. Dat betekent dat elke computerchip waarin de spins worden bestuurd, kan functioneren als een niet-vluchtig geheugen, omdat spin hetzelfde blijft totdat een externe kracht het verandert. Omdat het geheugen niet-vluchtig is, wat betekent dat er geen stroom nodig is om de informatie te blijven verversen, gebruikt het veel minder elektrisch vermogen, waardoor batterijen langer meegaan en de kans op oververhitting wordt verkleind. Het stelt een transistor ook in staat om zowel lading als spin te gebruiken en te functioneren als zowel een logische poort als een geheugen. Een computerchip zou dezelfde taken kunnen uitvoeren met minder circuits, waardoor er ruimte overblijft om extra circuits toe te voegen zonder de apparaten nog kleiner te hoeven maken.
Spintronic-apparaten bestaan al; harde schijven slaan veel meer informatie op dan tien jaar geleden, omdat Moodera en anderen op spintronica gebaseerde leeskoppen ontwikkelden die kleine veranderingen in magnetisme kunnen detecteren, waardoor meer en kleinere brokken gegevens in dezelfde ruimte kunnen worden verpakt. En een bedrijf is begonnen met de verkoop van magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen, een andere op spin gebaseerde technologie, die geen stroom nodig heeft om gegevens op te slaan.
Maar om spintronica toe te passen op logische circuits, moeten wetenschappers uitzoeken hoe ze de spin die ze willen in de transistor kunnen stoppen en hoe ze het aan de andere kant kunnen detecteren zodra het circuit het heeft gemanipuleerd. Ze willen een dunne film die ze bovenop de halfgeleider kunnen plaatsen en waarin ze het magnetische veld kunnen gebruiken om de spin van de elektronen uit te lijnen, voordat ze die uitgelijnde elektronen naar de halfgeleider transporteren. Moodera's indiumoxide is een potentiële kandidaat voor zo'n film, als hij het eenmaal volledig begrijpt en kan bedenken hoe hij het kan optimaliseren.
Moodera wil niet voorspellen hoe lang het zal duren om een praktisch spintronisch circuit te bouwen, hoewel hij schat dat duizenden wetenschappers in de Verenigde Staten, Azië en Europa eraan werken: het kan 10 jaar zijn, het kan zes jaar zijn. Het is moeilijk te zeggen. Maar hij wijst erop hoe spintronics harde schijven heeft verbeterd van capaciteiten van een paar megabytes 15 jaar geleden, toen niemand er zelfs maar aan had gedacht om spintronics te gebruiken, tot huidige iPods waarmee je een schijf van 60 gigabyte in je zak kunt dragen. Ik ben een optimistische onderzoeker, zegt hij.