Mod mere effektiv computing, med magnetiske bølger

MIT -forskere har udviklet et nyt kredsløbsdesign, der muliggør præcis styring af computing med magnetiske bølger - uden behov for elektricitet. Fremskridtet tager et skridt mod praktiske magnetbaserede enheder, som har potentiale til at beregne langt mere effektivt end elektronik.

Klassiske computere er afhængige af enorme mængder elektricitet til computing og datalagring, og generere en masse spild af varme. På jagt efter mere effektive alternativer, forskere er begyndt at designe magnetbaserede "spintronic" -enheder, som bruger relativt lidt elektricitet og genererer praktisk talt ingen varme.

Spintronic -enheder udnytter "spinbølgen" - en kvanteegenskab for elektroner - i magnetiske materialer med en gitterstruktur. Denne fremgangsmåde indebærer at modulere spin -bølgeegenskaberne for at producere noget målbart output, der kan korreleres med beregning. Indtil nu, modulerende spinbølger har krævet injicerede elektriske strømme ved hjælp af omfangsrige komponenter, der kan forårsage signalstøj og effektivt negere eventuelle iboende præstationsgevinster.

MIT-forskerne udviklede en kredsløbsarkitektur, der kun bruger en nanometer-bred domænevæg i lagdelte nanofilmer af magnetisk materiale til at modulere en forbipasserende spinbølge, uden ekstra komponenter eller elektrisk strøm. På tur, spinbølgen kan indstilles til at styre placeringen af ​​væggen, efter behov. Dette giver præcis kontrol af to skiftende spin -bølge -tilstande, der svarer til 1'erne og 0'erne, der bruges i klassisk computing.

I fremtiden, par spin -bølger kunne føres ind i kredsløbet via to kanaler, moduleret til forskellige egenskaber, og kombineret til at generere en målbar kvanteinterferens - svarende til hvordan fotonbølgeforstyrrelser bruges til kvanteberegning. Forskere antager, at sådanne interferensbaserede spintroniske enheder, ligesom kvantecomputere, kunne udføre meget komplekse opgaver, som konventionelle computere kæmper med.

"Folk begynder at lede efter computing ud over silicium. Wave computing er et lovende alternativ, "siger Luqiao Liu, en professor i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS) og hovedforsker ved Spintronic Material and Device Group i Research Laboratory of Electronics. "Ved at bruge denne smalle domænevæg, vi kan modulere spinbølgen og skabe disse to separate tilstande, uden reelle energiomkostninger. Vi stoler bare på spin -bølger og iboende magnetisk materiale. "

Tilslutter sig Liu i journalen Videnskab papir er Jiahao Han, Pengxiang Zhang, og Justin T. Hou, tre kandidatstuderende i gruppen Spintronic Material and Device; og EECS postdoc Saima A. Siddiqui.

Vendende magnoner

Spinbølger er krusninger af energi med små bølgelængder. Stumper af spinbølgen, som i det væsentlige er mange elektroners kollektive spin, kaldes magnoner. Selvom magnoner ikke er sande partikler, ligesom individuelle elektroner, de kan måles på samme måde for computerapplikationer.

I deres arbejde, forskerne brugte en tilpasset "magnetisk domænevæg, "en barriere i nanometerstørrelse mellem to nabostillede magnetiske strukturer. De lagde et mønster af kobolt/nikkel nanofilmer-hver et par atomer tykke-med visse ønskelige magnetiske egenskaber, der kan klare et stort volumen af ​​spinbølger. Derefter placerede de væggen i midten af ​​et magnetisk materiale med en særlig gitterstruktur, og indarbejdede systemet i et kredsløb.

På den ene side af kredsløbet, forskerne begejstrede konstante spin -bølger i materialet. Når bølgen passerer gennem væggen, dets magnoner drejer straks i den modsatte retning:Magnoner i den første region drejer nordpå, mens dem i den anden region - forbi muren - drejer sydpå. Dette forårsager det dramatiske skift i bølgens fase (vinkel) og let fald i størrelse (effekt).

I forsøg, forskerne placerede en separat antenne på den modsatte side af kredsløbet, der registrerer og sender et udgangssignal. Resultaterne viste, at ved sin udgangstilstand, inputbølgeens fase vendte 180 grader. Bølgens størrelse - målt fra højeste til laveste top - var også faldet med en betydelig mængde.

Tilføjelse af noget drejningsmoment

Derefter, forskerne opdagede et gensidigt samspil mellem spinbølge og domænevæg, der gjorde dem i stand til effektivt at skifte mellem to stater. Uden domænevæggen, kredsløbet ville blive ensartet magnetiseret; med domænevæggen, kredsløbet har en splittelse, moduleret bølge.

Ved at styre spinbølgen, de fandt ud af, at de kunne kontrollere domænevægens position. Dette bygger på et fænomen kaldet, "drejningsmoment for spin-overførsel, "hvilket er, når elektroner, der spinder, i det væsentlige rykker et magnetisk materiale for at vende dets magnetiske orientering.

I forskernes arbejde, de øgede kraften i injicerede spinbølger for at fremkalde et bestemt spin af magnonerne. Dette trækker faktisk væggen mod den boostede bølgekilde. Derved, væggen sidder fast under antennen - hvilket effektivt gør den ude af stand til at modulere bølger og sikre ensartet magnetisering i denne tilstand.

Ved hjælp af et specielt magnetisk mikroskop, de viste, at denne metode forårsager et mikrometerstørrelsesforskydning i væggen, hvilket er nok til at placere det overalt langs materialeblokken. Især mekanismen for magnon-spin-transfer-drejningsmoment blev foreslået, men ikke påvist, et par år siden. "Der var god grund til at tro, at dette ville ske, "Liu siger." Men vores eksperimenter beviser, hvad der faktisk vil ske under disse betingelser. "

Hele kredsløbet er som et vandrør, Siger Liu. Ventilen (domænevæg) styrer, hvordan vandet (spinbølge) strømmer gennem røret (materiale). "Men du kan også forestille dig at gøre vandtrykket så højt, det bryder ventilen af ​​og skubber den nedstrøms, "Siger Liu." Hvis vi anvender en stærk nok spinbølge, vi kan flytte domænevægens position - medmindre den bevæger sig lidt opstrøms, ikke nedstrøms. "

Sådanne innovationer kan muliggøre praktisk bølgebaseret computing til specifikke opgaver, såsom signalbehandlingsteknikken, kaldet "hurtig Fourier -transformation." Næste, forskerne håber at bygge et arbejdsbølgekredsløb, der kan udføre grundlæggende beregninger. Blandt andet, de skal optimere materialer, reducere potentiel signalstøj, og yderligere undersøge, hvor hurtigt de kan skifte mellem tilstande ved at bevæge sig rundt på domænevæggen. "Det er det næste på vores huskeliste, "Siger Liu.