Прорыв в спинтронике

    Ученые из IBM Research и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.



    ­
    ­
    ­
    ­

    «Обычно подобные спины электронов быстро меняют и теряют свою ориентацию. Но нам впервые удалось найти способ выравнивания их свойств в регулярный цикл смены спинов»

    ­
    ­
    ­
    ­
    ­
    ­

    Немного о спинтронике

    Спинтроника (или спиновая электроника) — достаточно молодая область современной физики, привлекающая многих исследователей многообещающими практическими применениями.
    Ее отличие от традиционной электроники заключается в том, что если в обычном электрическом токе перемещаются заряды, то в электронике нового поколения перемещаются спины электронов.
    Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).

    «Вращение» электрона и его верхней и нижней ориентации кодирует логические биты в системе. При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, а электрон, ось которого направлена условно вниз — за логический ноль.

    В чем состоит миссия спинтроники?
    В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
    В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.
    Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
    По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

    Несмотря ни на что


    ­
    ­

    Исследователи из IBM разработали метод синхронизации электронов, увеличив время спина в 30 раз — до 1 наносекунды (что равняется циклу микропроцессора с частотой 1 Гигагерц).
    ­

    ­
    ­
    ­
    ­
    ­

    Внимание ученых привлек ранее не описанный физиками факт – при вращении электронов в полупроводниках их спины перемещаются на десятки микрометров, при этом синхронно вращаясь, подобно вальсирующим парам.
    ­
    ­
    ­

    «Если в начале круга в вальсе лица всех женщин обращены в одну сторону, то уже через некоторое время вращающиеся пары окажутся смотрящими в разных направлениях.
    Теперь же мы получили возможность зафиксировать скорость вращения танцоров и привязать ее к направлению их перемещения. Получается идеальная хореография – лица всех танцующих женщин в определенной области площадки направлены в одну сторону».


    В лабораториях IBM Research ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области.
    Исследователи IBM применили методику сканирующего микроскопа с временным разрешением и получили изображения синхронного «вальса» спинов электронов. Синхронизация вращения спинов электронов позволила наблюдать их перемещение на расстояния более 10 микрон (одной сотой миллиметра), что увеличило возможность использования спина для обработки логических операций – быстрой и экономной с точки зрения потребления энергии.
    ­

    Причиной синхронного движения спинов является так называемое спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, который связывает спин с движением электрона. Экспериментальный полупроводниковый образец был изготовлен на основе арсенида галлия (GaAs) учеными из ETH Zurich. Арсенид галлия, полупроводник группы III/V, широко используется в производстве таких устройств, как интегральные микросхемы, инфракрасные светодиоды и высокоэффективные солнечные элементы.

    Выход спиновой электроники из лабораторий на рынок по-прежнему остается чрезвычайно сложной задачей. Сегодняшние исследования осуществляются при очень низких температурах, при которых спины электронов минимально взаимодействуют с окружающей средой. В частности, описываемая здесь исследовательская работа проводилась учеными IBM при температуре 40 градусов Кельвина (-233 по Цельсию или -387 по Фаренгейту).
    Но, в любом случае, новое открытие дает контроль над движением магнитных «зарядов» в полупроводниковых устройствах и открывает новые возможности и перспективы для создания малогабаритной и энергосберегающей электроники.
    IBM
    117.67
    Company
    Share post

    Comments 11

      0
      Со спинтроникой мы получим процессоры с 30 GHz частотой? А ПЗУ каких характеристик можно ожидать? 100 пикосекунд — физическим предел, или можно ускорить переключение? Насколько тяжким будет процесс производства?

      P. S. Раньше чем, через 15 лет получится? Просто давно хотел мощный бесшумный PC.
        +2
        до практического применения ещё как до киева раком — мы скорее увидим квантовые чипы, работающие при комнатной температуре.
          +8
          Я в Киеве сейчас)
            +4
            FAIL
            • UFO just landed and posted this here
          0
          Открытие только-только дало знание, как можно получить контроль над спинами, а вы уже про ожидаемые характеристики :)
          0
          Читая такие статьи, невольно понимаешь, что представляешь элементарные частицы в виде тороидов:
          image
            0
            Вся беда в том, что передний край экспериментальной физики сегодня на столько отдалён, от образования что у умных людей людей невольно возникает ощущении того учебники шиты белыми нитками, и в условиях информационного голода они изобретают свои торсионные велосипеды. Сегодня, вроде-бы есть интернет, и профессиональные исследователи могут тусоваться в узких кругах, но с другой стороны, есть монстры вроде IBM которые сами с усами ведут исследования.
            Может-быть конкретно у IBM всё открыто и публично, но я работал в такой компании где очень сильный RD знает очень много такого, о чем современная доказательная медицина только строит гипотезы. Они выпускают хорошие и действительно качественные продукты, но знаниями своими делиться не намерены.
              0
              Вообще, лично я особо ничего против современных теорий не имею, как умный человек. У меня даже физическое образование. Но вот знать хотя бы чуточку о строении электрона бы хотелось. Ваш комментарий намекает на то, что в IBM знают… (легкий сарказм).
            0
            Ссылку на статью бы

          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.