En nøgleudvikling i indsatsen for energieffektiv elektronik

Forskere har gjort et gennembrud i udviklingen af ​​en ny generation af elektronik, der vil kræve mindre strøm og generere mindre varme.

Det involverer at udnytte elektronernes komplekse kvanteegenskaber - i dette tilfælde, elektronernes spintilstand.

I en verdensnyhed, forskerne - ledet af et team af fysikere fra University of Leeds - har annonceret i tidsskriftet Videnskabens fremskridt at de har skabt en 'spinkondensator', der er i stand til at generere og holde elektronernes spintilstand i et antal timer.

Tidligere forsøg har kun holdt spin-tilstanden i en brøkdel af et sekund.

Inden for elektronik, en kondensator holder energi i form af elektrisk ladning. En spin-kondensator er en variation af den idé:i stedet for bare at holde opladningen, den gemmer også spin-tilstanden for en gruppe elektroner – faktisk 'fryser' den spin-positionen af ​​hver af elektronerne.

Denne evne til at fange spin-tilstanden åbner muligheden for, at der kan udvikles nye enheder, der gemmer information så effektivt, at lagerenheder kan blive meget små. En centrifugeringskondensator, der måler kun en kvadrat tomme, kan lagre 100 Terabyte data.

Dr. Oscar Cespedes, Lektor ved Institut for Fysik og Astronomi, der overvågede forskningen, sagde:"Dette er et lille, men betydeligt gennembrud i, hvad der kunne blive en revolution inden for elektronik drevet af udnyttelse af principperne for kvanteteknologi.

"I øjeblikket, op til 70 procent af den energi, der bruges i en elektronisk enhed, såsom en computer eller mobiltelefon, går tabt som varme, og det er den energi, der kommer fra elektroner, der bevæger sig gennem enhedens kredsløb. Det resulterer i enorm ineffektivitet og begrænser de nuværende teknologiers muligheder og bæredygtighed. Internettets CO2-fodaftryk ligner allerede flyrejser og stiger år for år.

"Med kvanteeffekter, der bruger lette og miljøvenlige elementer, der kunne ikke være varmetab. Det betyder, at de nuværende teknologiers ydeevne kan fortsætte med at udvikle sig på en mere effektiv og bæredygtig måde, der kræver meget mindre strøm."

Dr. Matthew Rogers, en af ​​hovedforfatterne, også fra Leeds, kommenterede:"Vores forskning viser, at fremtidens enheder måske ikke skal stole på magnetiske harddiske. I stedet vil de have spinkondensatorer, der drives af lys, hvilket ville gøre dem meget hurtige, eller ved et elektrisk felt, hvilket ville gøre dem ekstremt energieffektive.

"Dette er et spændende gennembrud. Anvendelsen af ​​kvantefysik til elektronik vil resultere i nye og nye enheder."

Sådan fungerer en spin-kondensator

I konventionel databehandling, information kodes og lagres som en række bits:f.eks. nuller og dem på en harddisk. Disse nuller og enere kan repræsenteres eller lagres på harddisken ved ændringer i polariteten af ​​små magnetiserede områder på disken.

Med kvanteteknologi, spinkondensatorer kunne skrive og læse information kodet ind i elektronernes spintilstand ved at bruge lys eller elektriske felter.

Forskerholdet var i stand til at udvikle spin-kondensatoren ved at bruge en avanceret materialegrænseflade lavet af en form for kulstof kaldet buckminsterfulleren (buckyballs), manganoxid og en koboltmagnetisk elektrode. Grænsefladen mellem nanocarbonet og oxidet er i stand til at fange elektronernes spintilstand.

Den tid, det tager for spin-tilstanden at henfalde, er blevet forlænget ved at bruge interaktionen mellem kulstofatomerne i buckyballerne og metaloxidet i nærværelse af en magnetisk elektrode.

Nogle af verdens mest avancerede eksperimentelle faciliteter blev brugt som en del af undersøgelsen.

Forskerne brugte ALBA Synchrotron i Barcelona, ​​som bruger elektronacceleratorer til at producere synkrotronlys, der gør det muligt for forskere at visualisere stoffets atomare struktur og undersøge dets egenskaber. Lavenergi muon-spinspektroskopi ved Paul Scherrer-instituttet i Schweiz blev brugt til at overvåge lokale spinændringer under lys og elektrisk bestråling inden for en milliardtedel af en meter inde i prøven. En muon er en subatomær partikel.

Resultaterne af den eksperimentelle analyse blev fortolket med bistand fra dataloger ved UK's Science and Technical Facilities Council, hjemsted for en af ​​Storbritanniens mest kraftfulde supercomputere.

Forskerne mener, at de fremskridt, de har gjort, kan bygges på, mest bemærkelsesværdigt mod enheder, der er i stand til at holde spin-tilstand i længere perioder.