211service.com
Et nyt spin på computere
En voksende indsats er i gang blandt forskere for at finde en måde at gøre spintronics, manipulation af elektronernes spin til at gøre computer, praktisk. Løftet er klart: spintronics kan føre til computere, der tænder øjeblikkeligt, og elektronik, der bruger langt mindre batteristrøm, og også overvinde de truende grænser for Moores lov. Men udfordringerne ved at bruge spintronics til logiske operationer er også skræmmende. Ikke mindst blandt dem er at finde det rigtige materiale til at bygge praktiske kredsløb. I flere år har forskere studeret halvledere som galliumarsenid, dopet med elementer som mangan for at gøre dem magnetiske. Men de virker kun i temperaturer under omkring minus 120°C – næppe en mulighed for hverdagscomputere.
MIT forsker Jagadeesh Moodera og hans team har udviklet et materiale, der fungerer ved stuetemperatur og er nemt at skabe. Materialet er indiumoxid, som ligner det materiale, der bruges til at lede ladning i en pengeautomats berøringsskærm, med en lille mængde krom tilsat for at gøre det magnetisk. Andre materialer, der kan fungere, siger Moodera, inkluderer zinkoxid, der er meget udbredt i solcreme, og titaniumoxid. Den magnetiske halvleder ville polarisere elektronernes spin, som derefter strømmer ind i siliciumchippen, hvor kredsløb ville bruge dem til at udføre beregninger, mens en detektor, sandsynligvis lavet af samme materiale som spininjektoren, ville aflæse dem, når de strømmer ud.
Materialet har brug for mere udvikling, før det kan testes i et egentligt kredsløb. Men Don Heiman , professor i fysik ved Northeastern University, kalder skabelsen af en magnetisk halvleder, der fungerer ved stuetemperatur, for et ret stort gennembrud.
Faktisk, siger Moodera, er der flere års arbejde at gøre for at bygge en praktisk computerchip baseret på spintronics. For eksempel er det ikke klart, hvordan silicium og indiumoxid interagerer på det punkt, hvor de berører hinanden. Det er meget svært at kontrollere formen af materialet ved den grænseflade, som er omkring to atomlag tykke, og det er muligt, at forskelle mellem de to materialer kan få elektronspindene til at miste deres polarisering. Det vil tage en hel del grundlæggende forskning bare for at forstå, hvad der sker ved grænsefladen, siger Moodera, og mere arbejde for at lære at kontrollere det. Og når først de har bygget en fungerende spin-injektor, skal forskerne stadig designe en spindetektor og transistoren.
Spin-baserede kredsløb er spændende, fordi de tilføjer en ny dimension til databehandling. Mens elektronisk databehandling er baseret på elektronens negative ladning, skifter strøm hurtigt til og fra for at gøre en s og 0 I den digitale verden er spintronics afhængig af videnskabsmænds voksende evne til at manipulere en anden kvantemekanisk egenskab ved elektronen - en egenskab kendt som spin. Det er vigtigt for en computerchipindustri, der ser til en tid, hvor den ikke vil være i stand til at gøre kredsløb mindre. Nuværende computerchips anvender siliciumtransistorer indskrevet med linjer mindre end 100 nanometer tykke. Chipproducenter fortsætter med at skrumpe størrelsen af transistorer for at proppe flere af dem på en chip, men når de når ned til et par nanometer i størrelse, vil de begynde at lække elektroner. Moodera og andre håber, at spintronics vil give dem mulighed for at udføre mere databehandling med det samme antal transistorer.
I en normal halvleder er en elektrons spin arrangeret tilfældigt; man peger denne vej, man peger den. Men når et flertal af elektroner har samme spin, er resultatet et magnetfelt. Det betyder, at enhver computerchip, hvori spins styres, kan fungere som en ikke-flygtig hukommelse, fordi spin forbliver det samme, indtil en ekstern kraft virker for at ændre det. Fordi hukommelsen er ikke-flygtig, hvilket betyder, at den ikke kræver en strøm af strøm for at blive ved med at opdatere informationen, bruger den langt mindre elektrisk strøm, hvilket tillader batterier at holde længere og reducerer deres chance for overophedning. Det giver også en transistor mulighed for at bruge både ladning og spin og fungere som både en logisk gate og en hukommelse. En computerchip kunne udføre alle de samme opgaver med færre kredsløb, hvilket giver plads til at tilføje yderligere kredsløb uden at skulle gøre enhederne endnu mindre.
Spintronic-enheder findes allerede; harddiske gemmer meget mere information end for et årti siden, fordi Moodera og andre udviklede spintronics-baserede læsehoveder, der kan registrere små ændringer i magnetisme, hvilket gør det muligt at pakke flere og mindre bidder af data i det samme rum. Og et firma er begyndt at sælge magnetisk hukommelse med tilfældig adgang, en anden spin-baseret teknologi, der ikke kræver en strøm af strøm for at gemme data.
Men for at anvende spintronics til logiske kredsløb, skal videnskabsmænd finde ud af, hvordan de skal sætte det spin, de ønsker, i transistoren, og hvordan de kan detektere det på den anden side, når kredsløbet har manipuleret det. De vil have en tynd film, de kan placere oven på halvlederen, og hvori de kan bruge magnetfeltet til at justere elektronernes spin, før de transporterer de justerede elektroner ind i halvlederen. Mooderas indiumoxid er en potentiel kandidat til sådan en film, når han først forstår den fuldt ud og kan finde ud af, hvordan han kan optimere den.
Moodera er uvillig til at forudsige, hvor lang tid det vil tage at bygge et praktisk spintronisk kredsløb, selvom han vurderer, at tusindvis af videnskabsmænd i USA, Asien og Europa arbejder på det: Det kan tage 10 år, det kan være seks. Det er svært at sige. Men han peger på, hvordan spintronics har forbedret harddiske fra kapaciteter på få megabyte for 15 år siden, hvor ingen overhovedet havde tænkt på at bruge spintronics, til nuværende iPods, der lader dig have en 60-gigabyte drev rundt i lommen. Jeg er en optimistisk forsker, siger han.