Mažiausias „ar“ pasaulyje

Pirmą kartą realizuotas spintroninis loginis komponentas, sudarytas iš nedaugelio magnetinių atomų

Paveikslėlyje parodyta mažiausių pasaulyje nano-spintroninių loginių vartų struktūra. Trikampės struktūros yra magnetinės kobalto salos, kurių aukštis yra du atominiai sluoksniai, o geltonos sferos simbolizuoja atskirus geležies atomus. Raudona ir žalia rodyklės rodo magnetinę orientaciją. Faktiniai trijų geležies atomų loginiai vartai yra apie tris nanometrus. © AA Khajetoorians, J. Wiebe / Hamburgo universitetas
skaityti garsiai

Hamburgo fizikai pirmą kartą suprato veikiantį spintroninę logikos komponentą, kurį sudaro keli magnetiniai atomai. Kaip praneša mokslo žurnalas „Science“, keičiant realizuotą logiką ARBA vartus, priešingai nei įprasti elektroniniai komponentai, srovės srautas nėra būtinas, nes perjungiama tik atomų magnetinė orientacija.

Pasak tyrėjų, šis įspūdingas proveržis nano-spintronikos srityje atskleidžia, kaip galėtų atrodyti būsimi kompiuterių kūrimo blokai: mažas atominis dydis, iki 10000 gigahercų greitas ir beveik nenaudojant energijos!

Žadama spintronika

Kiekvienas mobiliojo kompiuterio savininkas žino problemą: galingiems įrenginiams dažnai sunaudojama per daug energijos, nes baterija vėl stebuklingai tuščia. Ypač tai turi įtakos šiuolaikiniams išmaniesiems telefonams, nes jie dažnai būna tik vieną darbo dieną, kol jiems reikia skubiai prisijungti. Taip yra dėl ryškių ekranų ir įprastos puslaidininkių elektronikos, kuriai apdoroti naudojamas elektros krūvis.

Puslaidininkių įtaisų miniatiūrizavimas netrukus pasieks savo ribas, todėl ilgą laiką buvo ieškoma naujos logikos įtaisų koncepcijos kuo mažesniu mastu. Perspektyvų požiūrį siūlo „spintronics“. Šioje technologijoje naudojamas ne tik elektronų krūvis, bet ir jų „sukimasis“.

Sukimas: elektronų sukimasis aplink savo ašį

Šis elektronų sukinys yra kvantinė mechaninė savybė ir gali būti suprantamas tiesiog kaip elektronų sukimasis apie savo ašį. Šis sukimas sukuria magnetinį momentą, todėl galima lengvai pamatyti vieną elektroną kaip mažą kompaso adatą, nukreiptą į šiaurę ar pietus, atsižvelgiant į tai, kaip elektronas sukasi. displėjus

Aleksandro Khajetoorians ir Jens Wiebe iš Hamburgo universiteto fizikai, norėdami realizuoti visiškai naują nano-spintronic komponentą, į vario paviršių įdėjo kobalto. Dėl to susidarė trikampės salos, kurias sudaro apie 100 kobalto atomų. Tada tyrėjai panaudojo atomiškai aštrią vadinamojo nuskaitymo tunelinio mikroskopo adatą kaip įrankį, kad sujungtų dvi kobalto salas su atskirų geležies atomų grandinėmis.

Geležies atomas kaip išvesties vienetas

Anot tyrėjų, buvo svarbu, kad geležies atomai būtų išdėstyti apibrėžtais intervalais vienas prie kito ir prie kobalto salų vario paviršiuje. Dvi kobalto salos yra apdorojamos magnetinės informacijos įvesties vienetai. Spintroninio komponento viduryje, kur dvi grandinės susitinka, anot mokslininkų, yra vienas geležies atomas, tarnaujantis kaip išvesties vienetas, ir, priklausomai nuo įėjimo, virš kobalto salų yra perjungtas į loginį.

Išeinančio atomo magnetinė būsena nuskaitoma naudojant nuskaitymo tunelinio mikroskopo, kuris buvo padengtas magnetine medžiaga, nugarai jautrią adatą. Dėl apibrėžtų geležies atomų atstumų vienas su kitu ir kobalto salomis, atomų sukiniai įgauna antiparalelę būseną, tai yra, mažos kompaso adatos nukreipia nuo atomo į atomą priešingomis kryptimis, teigė tyrėjai.

Nano-spintroninių loginių vartų vaizdai, kurie buvo nuskaityti naudojant suktuvui jautrų skenavimo tunelinio mikroskopo adatą. Komponentas yra „vartai“, ty jei sukimasis iš abiejų įėjimo salų nukreiptas žemyn (D), išėjimo atomo nugara taip pat nukreipta žemyn (mėlyna). Jei vienos ar abiejų salų sukimai nukreipti į viršų (AC), tada išvesties atomo nugara taip pat nukreipta aukštyn (raudona). AA Khajetoorians, J. Wiebe / Hamburgo universitetas

Kompaso adatos žaidžia domino

Dabar pakeiskite dviejų įvestų salų magnetinę orientaciją, tada geležies atomų sukiniai vėl sulygsis su paralelėmis saloms ir panašiai kaip domino žaidimas pakreipkite kompaso adatas vieną po kitos ir prisitaikykite prie naujų Įėjimas į. Išvesties atomas perjungiamas į loginį.

Kaip Hamburgo mokslininkai jau yra nurodę ankstesniame darbe, perjungimo procesas įvyksta per vieną ypač ilgą sukimąsi per vieną dešimt trilijoną sekundės, o tai gali tikėtis ypač greito naujų komponentų perjungimo dažnio.

Nano-spintronikos pranašumai

Pirmą kartą Hamburgo tyrinėtojai sugebėjo eksperimentiškai parodyti nano-spintronikos pranašumus atominiu mastu:

Didesnis energijos vartojimo efektyvumas

Kadangi nano-spintronikos komponentams perjungti nereikia elektros srovės, šie komponentai sunaudoja žymiai mažiau energijos nei įprasti puslaidininkiniai komponentai. Galimi galingi mobilieji įrenginiai, kurių nereikia įkrauti ištisas savaites. Atsižvelgiant į pasaulinį energijos išteklių trūkumą, vienas pagrindinių informacinio amžiaus iššūkių yra kompiuterinių procesorių energijos vartojimo efektyvumo didinimas.

Greitesni komponentai

Dėl žymiai aukštesnių laikrodžio dažnių šiandienines puslaidininkių sistemas sunku sukurti, nes krūvio transportavimas aukštesniais dažniais sukuria daugiau šilumos išeikvojimo, o tai ne tik sukelia didelius energijos nuostolius, bet ir sunaikina puslaidininkių grandinę. Gali. Kadangi nano-spintronic komponente, kurį suprojektavo Hamburgo tyrėjai, jokie įkrovimai nekyla, nėra jokių šiluminių problemų, todėl galima įsivaizduoti iki 10 000 gigahercų greitį.

Mažesni komponentai

Kadangi nano-spintronikos komponentai gali būti konstruojami iš kelių atomų, kaip čia parodyta, naudojant loginius vartus, galimi ir žymiai mažesni, ir sudėtingesni komponentai nei naudojant įprastą puslaidininkių technologiją.

Nepastovi atmintis

„Spin“ kaip informacijos siuntėjo naudojimas turi dar vieną pranašumą. Visa informacija išsaugoma net ir išjungus komponentą, nes jie saugomi magnetiškai, o ne elektroniniu būdu. Tai pašalintų nuobodų įkrovos procesą paleidus „Spintronics“ kompiuterį, sistema tiesiog veiktų taip, lyg ji niekada nebuvo išjungta. Be to, pasak fizikų, galimi nauji hibridiniai komponentai, kuriuose yra atminties ir skaičiavimo komponentai. (Mokslas, 2011; doi: 10.1126 / science.1201725)

(Bendradarbiavimo tyrimų centrai 668, 2011 5 06 - DLO)