Forskere udvikler platform til at bygge nanoelektronik og kvanteprocessorer

Forskere fra Far Eastern Federal University (FEFU, Vladivostok, Rusland) har sammen med kolleger fra det kinesiske videnskabsakademi (Beijing) designet en platin-kobolt-magnesiumoxidmikrostruktur belagt med platin, der er i stand til at fungere i treværdigt logisk tilstand (sand/falsk/ved ikke). Det baner vejen for at bygge nye elektroniske og spintroniske enheder, qutrit kvanteprocessorer (tre positioner i stedet for to af qubits), og neuromorfe systemer, der efterligner menneskelig hjerneaktivitet. En relateret artikel er publiceret i Fysisk gennemgang anvendt .

Moderne computerprocessorer bruger meget energi, repræsentere forskellige rum med hukommelsesceller, og deres effektivitet er begrænset af to-værdi logik (sand/falsk). Disse tre forhindringer bremser videre udvikling af computerenheder på vej mod miniaturisering og hurtig ydeevne.

Inden for et fælles projekt af den russiske fond for grundforskning (RFBR) og det kinesiske videnskabsakademi, forskere fra Skolen for Naturvidenskab, FEFU, udviklet en krydsformet mikrostruktur bestående af nanometerlag af platin, kobolt (kun 0,8 nm), magnesiumoxid, og et belægningslag af platin.

Strukturen kan være en enkelt platform, der fungerer samtidigt som en processor og en hukommelseschip. Denne funktion kan bidrage til miniaturisering af enheder implementeret på platformen. Det kan anvendes i elektroniske og spintronic-enheder, der arbejder med den treværdige logik, inklusive qutrit kvanteprocessorer (tre-niveau system i stedet for to-niveau qubits), og neuromorfe systemer, der efterligner den menneskelige hjernes funktionalitet.

"På grund af en vis rækkefølge af lag og skift af elektronspin i det nedre platinlag, vi er i stand til effektivt at styre tre magnetiske tilstande i koboltlaget. Disse tilstande svarer til af de tre-værdiede logiske tilstande, som er -1, 1 og 0 eller sand, falsk, ved ikke, i form af almindeligt sprog. Tre-værdi logik (Aristoteles logik) er langt bedre end binær, Boolsk logik (0/1). Dens principper danner grundlaget for intelligente computere i den nærmeste fremtid. Disse nye enheder vil have en højere ydeevne, længere levetid, og lavere energiforbrug sammenlignet med enheder bygget på andre principper, " sagde Alexander Samardak, projektleder fra russisk side, lektor i edb-systemer ved FEFU Skolen for Naturvidenskab.

For at opnå spinstrømmen og påvirke koboltlaget, forskerne anvendte to krydsstrømme og et magnetfelt i planet for at skifte magnetisk symmetri. På samme tid, de inducerede en kortimpulsstrøm, der passerede gennem det nederste lag af platin. Som resultat, spin af elektroner med forskellig polaritet (orienteret "op" og "ned, " svarende til tilstandene 1 og 0) vendt til modsatte overflader af platinlaget, producerer en ren spinstrøm, der påvirkede spins af elektronerne i det magnetiske lag. Under visse betingelser, centrifugering af koboltlaget blev skiftet. Det betød, at cellen skiftede fra 0 til 1 i analogi.

På grund af strømimpulser, som blev ført gennem to andre ortogonalt (vinkelret) placerede kontakter, det var muligt at kontrollere forskellige magnetiske tilstande i koboltlaget, dermed implementere forskellige tilstande af den tre-værdi logik. Det viste sig, at sådanne ortogonale strømme kan være lavere, og der var mulighed for at kontrollere andre mellemliggende stabile magnetiske tilstande i den lagdelte struktur, hvilket er vigtigt for udviklingen af ​​neuromorfe enheder. I øvrigt, sådanne logiske operationer som OG, ELLER, NOT-AND og NOT-OR kan kaldes i strukturen ved hjælp af en bestemt sekvens af krydsstrømme. Det er en mere sofistikeret og elegant tilgang end et sæt halvlederporte (transistorer, modstande, dioder), der bruges i øjeblikket.

Alexander Samardak forklarede, at i forskningspapiret, videnskabsmændene viste kun toppen af ​​isbjerget, og yderligere forskning er påkrævet for at opnå ægte spintroniske enheder og neuromorfe systemer, der opererer på logik med tre værdier.

Først, det er nødvendigt at slippe af med det konstante magnetfelt, der anvendes for at skifte magnetisk symmetri. For det andet det er nødvendigt at reducere cellestørrelsen til 100-200 nm for at implementere en høj tæthed af elementerne på chippen. For det tredje, det er nødvendigt at levere en nøjagtig aflæsning af forskellige tilstande i det magnetiske lag, som kræver meget følsomme sensorer baseret på effekten af ​​tunnelmagnetoresistens.

Forskerne bemærker, at den første computer baseret på tre-værdi logik blev udviklet i USSR i begyndelsen af ​​1960'erne. En videnskabelig gruppe ledet af professor N. P. Brusentsov (Lomonosov Moscow State University) implementerede projektet kaldet Setun. Imidlertid, Setun var ikke almindeligt anerkendt, på trods af en række af dets fordele i forhold til binær logik betjente maskiner.

I de sidste otte år, forskere fra FEFUs laboratorium for filmteknologier har samarbejdet med kolleger fra det kinesiske videnskabsakademi, førende inden for produktion og studiet af tyndfilmssystemer til spintronik. I løbet af denne tid, de har udviklet flere fælles projekter om magnetiske sensorer og spinsystemer i nanoskala.