2-D spintronics har allerede transformeret computing-nu fik det til at fungere i tre dimensioner

Spintronics er måske ikke den slags ord, der kommer op i dagligdags diskussioner, men det har revolutioneret computerteknologi i årevis. Det er den fysiske gren, der involverer manipulation af spin af en strøm af elektroner, som først nåede forbrugere i slutningen af ​​1990'erne i form af magnetiske computerharddiske med flere hundrede gange større lagerkapacitet end deres forgængere.

Disse og andre elektroniske enheder er siden blevet forfinet til at gøre computere mange gange mere kraftfulde igen, for ikke at nævne meget køligere og mere energieffektivt - muliggør alt fra MP3 -afspillere til nutidens smartphones. Intel og Google begyndte at afsløre kvanteprocessorer sidste år, og Samsung og Everspin lancerede MRAM (magnetisk random access memory) chips for et par måneder siden. Denne nye teknologi forventes at forbedre computerens ydeevne væsentligt - med ét skøn, for eksempel, den potentielle reduktion af effektbehovet kan være over 99%.

Ikke desto mindre, alle disse fremskridt har arbejdet under en stor begrænsning:spin-manipulationen er begrænset til et enkelt ultratyndt lag magnetisk materiale. Titalls af disse lag er typisk stablet i en "sandwichet" struktur, som interagerer gennem komplekse grænseflader og sammenkoblinger, men deres funktionalitet er grundlæggende 2-D i naturen.

Brancheledere som Stuart Parkin, der skabte IBMs originale spintronics-drevne computerharddisk, Deskstar 16GP Titan, har i årevis sagt, at en af ​​de største udfordringer inden for magnetisk computing er at skifte til en meget mere fleksibel og kapabel 3D-version.

Dette ville se information transmitteret, lagret og behandlet på tværs af ethvert punkt i den tredimensionelle stak af magnetiske lag. Nylige banebrydende fremskridt begynder at bringe dette paradigmeskifte tættere på, men vi står stadig over for store udfordringer for at nå den samme grad af kontrol, som vi har i to dimensioner.

I et nyt papir ledet af universiteterne i Glasgow og Cambridge, i samarbejde med forskere ved University of Hamburg, det tekniske universitet i Eindhoven og Aalto University School of Science, vi har taget et vigtigt skridt i retning af at nå det mål.

Spins og gebyrer

Traditionel elektronik er baseret på, at elektroner har elektriske ladninger. I en grundlæggende computer, chips og andre enheder sender information ved at sende og modtage små elektriske impulser. De registrerer en "en" for en puls og en "nul" for ingen puls, og ved at tælle disse over millioner af gentagelser, det bliver grundlaget for et sprog med instruktioner.

Traditionelle magnetiske harddiske er også afhængige af egenskaber forbundet med elektriske ladninger, men de arbejder efter et andet princip, med meget små områder af en flad magnetisk disk, der registrerer nuller og dem via dens to mulige magnetiske orienteringer. Magnetiske drev har den store fordel, at data stadig er der, selv når strømmen er slukket, selvom oplysningerne registreres og hentes meget langsommere end at bruge de transistorer, vi finder i computerkredsløb.

Spintronics er anderledes:den udnytter både ladningen og den iboende magnetisme af elektroner - ellers kendt som dens spin. Forskellen mellem spin og ladning sammenlignes undertiden med den måde, Jorden kredser om solen, men også spinder på sin akse på samme tid. Men hvor elektroner altid er negativt ladede, de kan dreje "op" eller "ned".

Det blev opdaget i slutningen af ​​1980'erne, at hvis en elektrisk strøm blev ført gennem en enhed dannet af et ikke-magnetisk ark klemt mellem to magnetiske ark, denne enheds modstand mod elektronstrømmen ville ændre sig dramatisk afhængigt af magneternes orientering i de to magnetiske ark.

Denne effekt blev let udnyttet på harddiske, med disse spintronic -systemer, der fungerer som meget følsomme sensorer, der kunne læse mange flere nuller og magnetiske oplysninger inden for det samme område end tidligere harddiske - og dermed transformere lagerkapacitet. Kendt som kæmpe magnetoresistens, dette gav senere Nobelprisen i fysik til Albert Fert og Peter Grunberg, de to forskere, der opdagede det samtidigt.

Chiral spintronics

Siden fødslen af ​​spintronics, der har været mange vigtige fremskridt, herunder nogle nyligt spændende i et område kaldet chiral spintronics. Mens vi normalt tænker på to magneter som at have et "nord" og "syd", der roterer mod eller væk fra hinanden langs en 180º -linje - se f.eks. Kompasset mod slutningen af ​​denne video - under særlige forhold, små magneter på atomniveau præsenterer også chirale spin -interaktioner. Det betyder, at nabomagneter foretrækker at orientere sig i vinkler på 90º.

Eksistensen af ​​disse interaktioner er en nøgleingrediens til at skabe og manipulere pseudopartikler kaldet magnetiske skyrmions, som har topologiske egenskaber, der gør dem i stand til at udføre computerapplikationer mere effektivt, med et stort potentiale for yderligere at forbedre datalagring.

Indtil nu, imidlertid, chirale spin-interaktioner var kun blevet observeret og udnyttet i 2-D spintronics. I vores nye papir, vi viser for første gang, at denne interaktion også kan skabes mellem magneter placeret ved to nabomagnetiske lag adskilt af et ultratyndt, ikke-magnetisk metallisk lag.

For det, vi skabte en enhed med i alt otte lag ved hjælp af en teknik kaldet sputtering for at deponere tynde film i nanoskala. Vi var nødt til omhyggeligt at indstille grænsefladerne for lagene for at afbalancere andre magnetiske interaktioner, og vi studerede systemets adfærd under magnetfelter ved stuetemperatur ved hjælp af lasere. Den måde, enheden opførte sig på, blev bekræftet af komplementære magnetiske simuleringer udført af vores samarbejdspartner ved universitetet i Hamborg.

Denne opdagelse åbner nye spændende ruter til at udnytte yderligere 3-D spintronic-effekter, med chirale spin-interaktioner, der spiller en afgørende rolle for at skabe mere kompakte og effektive måder at lagre og flytte magnetiske data langs hele 3D-rummet. Fremtidens arbejde vil fokusere på at finde måder at øge styrken af ​​denne interaktion og udvide rækkevidden af ​​enheder, hvor effekten er til stede. Vi forventer, at vores arbejde vil tiltrække stor interesse i det spintronic -samfund og stimulere industrien til at fortsætte arbejdet med magnetiske computerenheder baseret på disse radikalt nye koncepter.

Den første effekt af spintronics på computermarkedet var ekstremt hurtig-det tog kun otte år fra opdagelsen af ​​gigantisk magnetoresistens til lanceringen af ​​IBM's Deskstar 16GP Titan i 1997. Springet til 3-D mangler stadig at overvinde flere forhindringer, fra præcist at fremstille de nødvendige enheder til at udnytte magnetiske interaktioner i utraditionelle computingarkitekturer. Vores nylige opdagelse bringer os et skridt tættere på at nå dette meget udfordrende, men spændende mål.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.