Forskere demonstrerer nanopartikelsystemer, der er afgørende for nye højhastighedsenheder

For første gang, forskere har demonstreret en ny måde at udføre funktioner, der er afgørende for fremtidig beregning, tre størrelsesordener hurtigere end nuværende kommercielle enheder. Holdet ledet af lektor Shinobu Ohya skabte en spintronisk halvlederenhed i nanoskala, der delvist kan skifte mellem specifikke magnetiske tilstande billioner af gange i sekundet (terahertz—THz), langt ud over frekvenser af enheder i øjeblikket.

Der er en stor chance for, at du har købt en computer eller smartphone engang i dette årti. Da du så på beskrivelsen, du har måske bemærket, at hastigheden af ​​sådanne enheder ofte måles i gigahertz (GHz). På nuværende tidspunkt de fleste enheder er omkring et par gigahertz. Men fremskridtet accelererer, og forskere søger nye måder at øge frekvensen og ydeevnen af ​​enheder. Til denne ende, UTokyo-forskere fra Graduate School of Engineering og Graduate School of Frontier Sciences udforsker det nye felt af spintronics.

"Jeg håber, at vores forskning fører til spintronics-baserede logik- og hukommelsesenheder, " sagde Ohya. "Inden for årtier, folk burde se spintronic smartphones og datacentre. Vi ville realisere utrolige præstationsgevinster på områder som kunstig intelligens og videre."

Spintronics, aka "spin elektronik, "udnytter en iboende egenskab ved elektroner kaldet spin, ansvarlig for magnetisk adfærd, at udføre funktioner. For eksempel, beregning er afhængig af omskiftelige tilstande af et fysisk materiale som en måde at overføre information på. Berømt, dem og nuller, der omfatter binær kode, er repræsenteret af spændingsniveauer i kommunikationsledninger eller magnetiske tilstande af et magnetisk metal på en harddisk. Jo hurtigere skift mellem stater, jo større enhedens ydeevne. I spintronic-enheder, diskrete spin-magnetiseringstilstande repræsenterer binære cifre.

En måde forskerne skaber denne egenskab på er at bestråle et specielt magnetisk materiale med korte, men højfrekvente impulser af terahertz-stråling, svarende til lufthavnens kropsscannere. Strålingen vender elektronspin i dette materiale - ferromagnetisk manganarsenid (MnAs) - og dermed dets magnetisering, på under et picosekund, tre størrelsesordener hurtigere end transistorer skifter i mikrochips. Andre forskere har forsøgt dette før, men den magnetiske ændring som reaktion på impulserne var kun 1 procent, for lille til at være praktisk anvendelig.

Nu, imidlertid, Ohya og hans team demonstrerede med succes en større størrelsesændring i magnetisering af MnAs nanopartikler udsat for terahertz-impulser. Denne større respons på 20 procent betyder, at den kan være mere nyttig i forskning og antydninger til mulige fremtidige anvendelser. Deres trick var at drage fordel af den elektriske komponent af den terahertz elektromagnetiske stråling frem for den magnetiske komponent.

"Indtil nu brugte forskere på dette område ferromagnetiske metalfilm til at studere terahertz-modulation af magnetisering, men disse hæmmede strålingens energi, " sagde Ohya. "I stedet indlejrede vi vores ferromagnetiske nanopartikler i en halvlederfilm på 100 nanometer tyk. Dette hindrer strålingen langt mindre, så det terahertz elektriske felt når ensartet og vender spindene, og derfor magnetisering, af nanopartiklerne."