Ein neuer Spin für Computer

Die Forscher bemühen sich zunehmend, einen Weg zu finden, die Spintronik, die Manipulation des Elektronenspins, um Computer zu betreiben, praktikabel zu machen. Das Versprechen ist klar: Spintronik könnte zu Computern führen, die sich sofort einschalten, und Elektronik, die viel weniger Batteriestrom verbraucht, und auch die sich abzeichnenden Grenzen des Mooreschen Gesetzes überwinden. Aber auch die Herausforderungen bei der Verwendung von Spintronik für logische Operationen sind enorm. Nicht zuletzt das Finden des richtigen Materials zum Bau praktischer Schaltungen. Seit mehreren Jahren untersuchen Forscher Halbleiter wie Galliumarsenid, die mit Elementen wie Mangan dotiert sind, um sie magnetisch zu machen. Diese funktionieren aber nur bei Temperaturen unter etwa minus 120 °C – kaum eine Option für Alltagscomputer.

MIT research scientist Jagadeesh Moodera und sein Team haben ein Material entwickelt, das bei Raumtemperatur funktioniert und sich leicht herstellen lässt. Das Material ist Indiumoxid, das dem Material ähnelt, das zum Leiten von Ladungen in einem Touchscreen eines Geldautomaten verwendet wird, wobei eine kleine Menge Chrom hinzugefügt wird, um es magnetisch zu machen. Andere Materialien, die funktionieren könnten, sagt Moodera, sind Zinkoxid, das häufig in Sonnenschutzmitteln verwendet wird, und Titanoxid. Der magnetische Halbleiter würde den Spin der Elektronen polarisieren, die dann in den Siliziumchip fließen, wo Schaltkreise sie verwenden, um Berechnungen durchzuführen, während ein Detektor, wahrscheinlich aus dem gleichen Material wie der Spininjektor, sie beim Ausfließen auslesen würde.

Das Material muss weiter entwickelt werden, bevor es in einer tatsächlichen Schaltung getestet werden kann. Aber Don Heiman , ein Physikprofessor an der Northeastern University, nennt die Entwicklung eines magnetischen Halbleiters, der bei Raumtemperatur funktioniert, einen ziemlich großen Durchbruch.



In der Tat, so Moodera, seien noch mehrere Jahre Arbeit zu leisten, um einen praktischen Computerchip auf Basis der Spintronik zu bauen. Es ist beispielsweise nicht klar, wie das Silizium und das Indiumoxid an der Stelle interagieren, an der sie sich berühren. Es ist sehr schwierig, die Form des Materials an dieser Grenzfläche, die etwa zwei Atomschichten dick ist, zu kontrollieren, und es ist möglich, dass Unterschiede zwischen den beiden Materialien dazu führen können, dass die Elektronenspins ihre Polarisation verlieren. Es wird einiges an Grundlagenforschung erfordern, nur um zu verstehen, was an der Schnittstelle passiert, sagt Moodera, und noch mehr Arbeit, um zu lernen, wie man es steuert. Und sobald sie einen funktionierenden Spin-Injektor gebaut haben, müssen die Forscher noch einen Spin-Detektor und den Transistor entwickeln.

Spinbasierte Schaltungen sind faszinierend, weil sie dem Computing eine neue Dimension verleihen. Während elektronisches Rechnen auf der negativen Ladung des Elektrons basiert, kann der Strom schnell ein- und ausgeschaltet werden, um die eins s und 0 ie der digitalen Welt beruht die Spintronik auf der wachsenden Fähigkeit der Wissenschaftler, eine weitere quantenmechanische Eigenschaft des Elektrons zu manipulieren – eine Eigenschaft, die als Spin bekannt ist. Das ist wichtig für eine Computerchip-Industrie, die auf eine Zeit blickt, in der sie keine Schaltkreise kleiner machen kann. Aktuelle Computerchips verwenden Siliziumtransistoren, denen Linien mit einer Dicke von weniger als 100 Nanometern eingeschrieben sind. Chiphersteller verkleinern weiterhin die Größe von Transistoren, um mehr davon auf einen Chip zu stopfen, aber sobald sie eine Größe von wenigen Nanometern haben, werden sie beginnen, Elektronen zu verlieren. Moodera und andere hoffen, dass ihnen die Spintronik ermöglicht, mit der gleichen Anzahl von Transistoren mehr Rechenleistung zu erbringen.

In einem normalen Halbleiter ist der Spin eines Elektrons zufällig angeordnet; Einer zeigt in diese Richtung, einer zeigt darauf. Aber wenn die Mehrheit der Elektronen den gleichen Spin hat, ist das Ergebnis ein magnetisches Feld. Das bedeutet, dass jeder Computerchip, in dem die Spins gesteuert werden, als nichtflüchtiger Speicher fungieren kann, da der Spin gleich bleibt, bis eine externe Kraft wirkt, um ihn zu ändern. Da der Speicher nichtflüchtig ist, d. h. kein Strom fließt, um die Informationen ständig aufzufrischen, verbraucht er viel weniger Strom, wodurch die Batterien länger halten und die Gefahr einer Überhitzung verringert wird. Es ermöglicht einem Transistor auch, sowohl Ladung als auch Spin zu verwenden und sowohl als logisches Gate als auch als Speicher zu fungieren. Ein Computerchip könnte die gleichen Aufgaben mit weniger Schaltkreisen ausführen, so dass Platz für zusätzliche Schaltkreise bleibt, ohne die Geräte noch kleiner machen zu müssen.

Spintronic-Geräte existieren bereits; Festplatten speichern viel mehr Informationen als noch vor zehn Jahren, weil Moodera und andere auf Spintronik basierende Leseköpfe entwickelt haben, die winzige Änderungen des Magnetismus erkennen können, sodass mehr und kleinere Datenmengen in den gleichen Raum gepackt werden können. Und ein Unternehmen hat mit dem Verkauf von magnetischen Direktzugriffsspeichern begonnen, einer anderen spinbasierten Technologie, die keinen Stromfluss zum Speichern von Daten benötigt.

Um Spintronik auf logische Schaltungen anzuwenden, müssen Wissenschaftler jedoch herausfinden, wie sie den gewünschten Spin in den Transistor bringen und ihn auf der anderen Seite erkennen, nachdem die Schaltung ihn manipuliert hat. Sie wollen einen dünnen Film, den sie auf den Halbleiter legen können und in dem sie das Magnetfeld nutzen können, um den Spin der Elektronen auszurichten, bevor sie diese ausgerichteten Elektronen in den Halbleiter transportieren. Indiumoxid von Moodera ist ein potenzieller Kandidat für einen solchen Film, wenn er ihn vollständig versteht und herausfinden kann, wie er optimiert werden kann.

Moodera will nicht vorhersagen, wie lange es dauern wird, eine praktische Spintronikschaltung zu bauen, obwohl er schätzt, dass Tausende von Wissenschaftlern in den Vereinigten Staaten, Asien und Europa daran arbeiten: Es könnten 10 Jahre dauern, es könnten sechs sein. Das ist schwer zu sagen. Aber er weist darauf hin, wie Spintronics Festplatten mit einer Kapazität von wenigen Megabyte vor 15 Jahren, als noch niemand daran gedacht hatte, Spintronics zu verwenden, zu aktuellen iPods verbessert haben, mit denen Sie ein 60-Gigabyte-Laufwerk in der Tasche tragen können. Ich bin ein optimistischer Forscher, sagt er.

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