Forskere opretter den første rumtemperatur magnon switch med industrielt nyttige egenskaber

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har demonstreret en potentielt ny måde at foretage switches inde i en computers processorchips, gør dem i stand til at bruge mindre energi og udstråle mindre varme.

Teamet har udviklet en praktisk teknik til styring af magnoner, som i det væsentlige er bølger, der bevæger sig gennem magnetiske materialer og kan bære information. For at bruge magnoner til informationsbehandling kræver en omskiftningsmekanisme, der kan styre transmissionen af ​​et magnonsignal gennem enheden.

Mens andre laboratorier har skabt systemer, der bærer og styrer magnoner, teamets tilgang bringer to vigtige førstegangspunkter:Dens elementer kan bygges på silicium frem for eksotiske og dyre underlag, som andre tilgange har krævet. Det fungerer også effektivt ved stuetemperatur, frem for at kræve køling. Af disse og andre årsager, denne nye fremgangsmåde kan lettere anvendes af computerproducenter.

"Dette er en byggesten, der kan bane vejen til en ny generation af yderst effektiv computerteknologi, "sagde teammedlem Patrick Quarterman, en fysiker ved NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Andre grupper har skabt og kontrolleret magnoner i materialer, der ikke kan integreres godt med computerchips, mens vores er bygget på silicium. Det er meget mere levedygtigt for industrien. "

Magnoner, også kaldet spin -bølger, ville udnytte elektronens spin -egenskab til at overføre oplysninger. En af grundene til, at computerchips bliver så varme, er, at i et konventionelt kredsløb, elektroner bevæger sig fra et sted til et andet, og deres bevægelse genererer varme. En magnon, imidlertid, bevæger sig gennem en lang række elektroner, som ikke selv behøver at rejse. I stedet, hver elektrones spindretning - som er lidt som en pil, der strækker sig gennem aksen på en snurretop - påvirker magnetisk spinretningen af ​​den næste elektron på linje. Tilpasning af spinet af den første elektron sender en bølge af spinændringer, der formerer sig ned ad strengen. Fordi elektronerne selv ikke ville bevæge sig, langt mindre varme ville resultere.

Fordi elektronstrengen strækker sig fra et sted til et andet, magnonen kan bære information, når den bevæger sig ned ad strengen. I chips baseret på magnonteknologi, større og mindre bølgehøjder (amplituder) kunne repræsentere dem og nuller. Og fordi bølgehøjden gradvist kan ændre sig, en magnon kunne repræsentere værdier mellem en og nul, giver det flere muligheder end en konventionel digital switch har.

Selvom disse fordele har gjort magnonbaseret informationsbehandling til en pirrende idé i teorien, indtil nu er de fleste af de vellykkede strukturer blevet bygget i flere lag tynde film, der ligger oven på en base af gadolinium gallium granat, frem for oven på silicium, som kommercielle chips er lavet af. Dette "GGG" -materiale ville være uoverkommeligt dyrt at masseproducere.

"Det er en sjov fysiklegeplads, der demonstrerer de grundlæggende principper, "Kvartmand sagde, "men det er ikke praktisk til industriel produktion."

Imidlertid, Yabin Fan og hans kolleger på MIT brugte en kreativ ingeniørmetode til at lægge de tynde film oven på en base af silicium. Deres mål var at bygge deres system oven på det materiale, som computerindustrien længe har været vant til at arbejde med, derved tillader magnoner at grænseflade med konventionel computerteknologi.

I første omgang, deres flerlags skabelse opførte sig ikke som forventet, men forskere ved NCNR brugte en teknik kaldet neutronreflektometri til at undersøge den magnetiske adfærd i enheden. Neutronerne afslørede en uventet, men fordelagtig interaktion mellem to af de tynde filmlag:Afhængig af mængden af ​​magnetfelt, der anvendes, materialer bestiller sig selv på forskellige måder, der kan repræsentere en switch's "on" eller "off" tilstand, samt positioner mellem on og off - hvilket ligner en ventil.

"Når du sænker magnetfeltet, retningen skifter, "sagde Fan, en postdoktor i MIT's elektrotekniske afdeling. "Dataene er meget klare og viste os, hvad der skete på forskellige dybder. Der er en meget stærk kobling mellem lagene."

Magnonomskifteren kan også finde anvendelse i enheder, der også kan foretage en anden beregning. Konventionelle digitale switches kan kun eksistere i enten tændte eller slukkede tilstande, men fordi spinbølgens amplitude gradvist kan ændre sig fra lille til stor, det er muligt, at magnoner kan bruges i analoge computerapplikationer, hvor kontakten har værdier, der ligger mellem 0 og 1.

"Derfor betragter vi dette som mere en ventil, "Quarterman sagde." Du kan åbne eller lukke det lidt ad gangen. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.