Forskere ID lovende nøgle til ydeevne af næste generations elektronik

At tage elektroner ud for et spin gennem de nanoskopiske gader i en digital enhed - uden at dreje ud af kontrol - har udfordret forskere i årevis.

Men vedligeholdelsen af ​​denne kontrol, når de subatomære partikler kører mod processorer, kan give et troværdigt trofæ:billigere, hurtigere og langt mere energieffektive enheder.

Evgeny Tsymbal og Lingling Tao har måske lige viftet med det grønne flag - eller i det mindste droppet det hvide. Fysikerne ved University of Nebraska-Lincoln har identificeret et materiale, hvis krystallinske struktur bedre kan opretholde en elektron-spin:en egenskab, der, ligner opladning, kan repræsentere informationsstykker i digitale enheder.

Standard CPU'er læser mængder af elektrisk ladning som enten 1'er eller 0'er, med at ladningen åbner eller lukker en port, der regulerer elektronernes strømning. På nogenlunde samme måde, spintronic -enheder kan aflæse orienteringen af ​​en elektron -spin:op vs. ned. Enheder, der kan tale både digitale sprog - opladning og centrifugering - står klar til at behandle og gemme oplysninger til hastigheder, der let overgår de enheder, der er tilgængelige på dagens marked.

Alligevel kan elektronens spinorientering vende på et kvanteindfald, og gør ofte. Det er et problem for elektriske ingeniører.

En lovende løsning indebærer at sætte spænding på porten, der allerede dikterer elektronstrømmen. Spænding kan i det væsentlige "skrive" spinet af disse elektroner som op eller ned, mens de flyder, men uundgåelige ufuldkommenheder i en nanoskopisk struktur af en enhed vil også ændre deres momentum. Og fordi momentum påvirker spin, et skift i elektronernes hastighed eller bane kan ændre deres tilsigtede spin -tilstande, før de bliver læst af en processor, muligvis resultere i vrøvl.

"Processen bliver dybest set en tilfældig vending af spin, sagde Tsymbal, George Holmes University professor i fysik og astronomi. "Når elektronerne ankommer til det område, hvor de skal detekteres, de mister de oplysninger, der er kodet i deres spin -orientering. "

Indtast et materiale kendt som vismutindiumoxid. Baseret på beregninger kørt gennem universitetets Holland Computing Center, det krystallinske materiale har et sæt atomsymmetrier, der ser ud til at fastgøre et elektron -spin i en bestemt retning, der er uafhængig af dets momentum. Hvis det er sandt, ingeniører kunne begynde at bruge spænding til at diktere spin uden at bekymre sig om, hvordan defekter påvirker en elektron momentum.

Atomsymmetrierne af vismutindiumoxid findes sandsynligvis i andre krystallinske materialer, Tsymbal sagde, hvilket betyder, at materialeforskere sandsynligvis vil opdage andre kandidater.

"Når et materiale har denne særlige krystalsymmetri, man kan hævde, at dette materiale også skal have den spin-bevarende ejendom, sagde Tsymbal, direktør for Nebraska's Materials Research Science and Engineering Center.

Spintronic -enheder forbruger allerede væsentligt mindre energi end standardelektronik. Tsymbal sagde, at potentialet til at skrive spin -orientering ved hjælp af spænding frem for elektrisk strøm kunne gøre enhederne endnu mere effektive - potentielt op til 1, 000 gange mere.

"Spintronics er også energirelateret forskning, fordi ved at spare energi i vores elektroniske enheder, vi reducerer strømforbruget, "Sagde Tsymbal." Dette er et meget vigtigt spørgsmål. "

Tsymbal og Tao, en postdoktor i fysik og astronomi, rapporterede deres resultater i journalen Naturkommunikation .