NIST opfinder grundlæggende komponent til spintronic computing

NIST har fået patent på teknologi, der kan fremskynde fremkomsten af ​​en længe ventet ny generation af højtydende, lavenergi-computere.

Konventionelle mikroelektroniske enheder, for det meste, arbejde ved at manipulere og lagre elektriske ladninger i halvledertransistorer og kondensatorer. Det kræver meget energi og genererer meget varme, især som procesingeniører bliver ved med at finde måder at pakke flere og mindre funktioner i integrerede kredsløb. Strømforbrug er blevet en af ​​de vigtigste hindringer for meget højere ydelse.

En meget lovende alternativ tilgang, kaldet "spintronics, "udnytter elektronens kvantespin til at opbevare oplysninger ud over ladningen. De to forskellige centrifugeringer (typisk betegnet" op "og" ned ") er analoge med positive og negative elektriske ladninger i konventionel elektronik. Fordi ændring af en elektrons spin kræver meget lidt energi og kan ske meget hurtigt, spintronics giver mulighed for betydelig energireduktion.

"Vores opfindelse, "siger medopfinder Curt Richter fra NIST's Engineering Physics Division, "er designet til at levere en nøglekomponent i spintronic -systemer. Det er en meget enkel, grundlæggende byggesten, der kan bruges på en række forskellige måder. Det kan fungere som en tænd / sluk-knap for spinstrømme, som en forbindelse mellem forskellige spintronic -komponenter, og som en grænseflade mellem magnetiske og elektroniske funktioner til at realisere multifunktionelle enheder. "

Spin er det, der gør magnetiske ting magnetiske:Hver elektron opfører sig lidt som en stangmagnet, med to modsatte poler. Materialer, hvor de fleste elektronspins er justeret i samme retning (polariseret), producerer et magnetfelt med samme orientering. Elektroner med samme spinjustering som materialet passerer let igennem det; elektroner med den modsatte justering er blokeret.

Denne egenskab er blevet udnyttet til at lave mikroskopiske "spin -ventiler" - typisk en kanal med et magnetisk lag i hver ende. Den relative polaritet af de to magneter tænder eller slukker ventilen:Hvis begge magneter har samme justering, den spin-polariserede strøm passerer gennem kanalen. Hvis magneterne har modsatte justeringer, strøm kan ikke flyde.

Enheden "kobles" ved at vende en magnets polaritet, hvilket gøres ved at anvende en tilstrækkelig strøm af elektroner med det modsatte spin. Imidlertid, at vende magnetens polaritet tager mere energi, end forskere foretrækker.

"Typisk med centrifugeringsventiler, "Richter siger." Du skal flyde en betydelig mængde spin -strøm for at vende komponenten. Større strømme betyder, at du bruger mere energi og genererer mere varme. Vores opfindelse reducerer begge dramatisk. "

I starten forskerne havde ikke til hensigt at lave en enhed eller få patent. De arbejdede ikke engang direkte på spintransport. De studerede adfærden for en anden klasse af enheder, der almindeligvis kaldes "memristors" (hukommelsesmodstande), en teknologi, der knap er et årti gammel, men er bredt indvarslet som en potentiel højhastighedshastighed, lavenergi grundelement til fremtidige computere.

Memristors er lagdelt mikrostruktur -sandwich med en elektrode i toppen og bunden, mellem hvilke er et lag af metal (for eksempel kobber), som er en god elektrisk leder og et lag af materiale (såsom visse oxider), som er en dårlig leder. Denne konfiguration er også den mest almindelige struktur, der bruges i en ny type hukommelse kaldet resistiv random-access memory (RRAM eller ReRAM). Når en spænding påføres elektroderne i en retning, strøm kan flyde. Omvendt spænding afbryder strømmen.

Forskere mener, at årsagen til dette fænomen er, at når en forspænding påføres i en retning, det får metallederens atomer til at diffundere ind i og interagere med oxidet, danner små metalfilamenter, der fungerer som kanaler med lav modstand, der trænger gennem det isolerende lag. Hvis spændingen påføres i den modsatte retning, oxidlaget er opbrugt af metalatomer, og modstanden stiger.

På den ene eller anden måde, når forspændingen fjernes, oxidets modstandstilstand er frosset. Fordi denne tilstand blev dannet af en bestemt bias anvendt i en bestemt retning, enheden "husker" sin sidste modstand. Denne egenskab gør memristors attraktive til brug i "ikke-flygtig" computerhukommelse, hvor de gemte oplysninger ikke forsvinder, når strømmen slukkes.

"Så da vi kom i gang, der var spinventiler, og der var memristors, ”Siger Richter.” Men ingen havde tænkt på at sammensætte dem. At være måling fyre på NIST, Vi tænkte ikke oprindeligt på at sætte dem sammen for at opfinde en ny enhed. Vi satte dem sammen, så vi kunne foretage målinger for bedre at forstå, hvordan memristors fungerer.

"Vi ville undersøge, hvordan denne spændingsafbryder tænder og slukker. Vi tænkte, at hvis vi tilføjede spin til analysen, vi kunne få mere indsigt i, hvordan en normal memristor fungerer. I processen med at gøre det, vi lavede denne enhed og sagde 'Hey, denne ting i sig selv har meget interessante teknologiske konsekvenser. ' Det kombinerer den ikke-flygtige hukommelse i memristors med teknologien til en centrifugeringsventil for at oprette en enhed, der giver dig mulighed for at tænde og slukke en spin-kanal. "

"Det, der gør det unikt, er, at du kan åbne eller lukke en spin -kanal ved hjælp af en elektrisk betjening, "siger medopfinder Hyuk-Jae Jang." Og det med en lille mængde spænding, vi kan tænde og slukke centrifugeringsstrøm i sub-nanosekundtid uden at skulle vende polariteten af ​​en spinventils ferromagnetiske elektrode. Denne drift med høj hastighed og lavt strømforbrug er afgørende for at bygge fremtidig spintronics-baseret logik-teknologi for at erstatte den nuværende CMOS-baserede elektronik-teknologi, der bruges til at fremstille næsten alle integrerede kredsløb i dag. "

NIST -patentet dækker enheder fremstillet med forskellige materialer. Den primære kombination anvendt i opfindernes eksperimenter var, nedefra og op, et magnetisk bundlag lavet af kobolt, der tjener til at spin-polarisere elektronerne, et isolerende lag lavet af tantaloxid, et lag kobber, og en legeret topelektrode.

I "on" -konfigurationen, kobberatomerne trækkes ind i oxidet, og deres filamenter strækker sig helt til basiskoboltlaget. Omvendt spænding får kobberet til at trække sig tilbage, og "der er et tomt område i oxidlaget, "Siger Richter." Så snart det sker, den nuværende stopper. Det kan kun være et par atomer værd væk, på grund af det eksponentielle drop-off med afstand. Det gør det til en meget lavenergikontakt. "

John Kramar, Fungerende chef for NIST's Engineering Physics Division, kalder værket "en meget spændende opfindelse, der giver en fantastisk løsning på koblingsenergiproblemet for spindventiler. Det fjerner en betydelig teknologisk barriere for spintronics til at blive en stærk konkurrent til mikroelektronik uden for CMOS."