Computerelektronica krimpt tot zo klein dat de elektrische stromen die aan hun functies ten grondslag liggen niet langer kunnen worden gebruikt voor logische berekeningen zoals hun voorouders op grotere schaal. Een traditionele op halfgeleiders gebaseerde logische poort, een meerderheidspoort genoemd, bijvoorbeeld, voert stroom uit om overeen te komen met ofwel de "0" of "1" status die ten minste twee van zijn drie ingangsstromen omvat (of gelijkwaardig, drie spanningen). Maar hoe bouw je een logische poort voor apparaten die te klein zijn voor de klassieke natuurkunde?

Een recente experimentele demonstratie, waarvan de resultaten deze week worden gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing, maakt gebruik van de interferentie van spingolven - synchrone golven van elektronenspinuitlijning waargenomen in magnetische systemen. Het prototype van de spin-wave meerderheidspoort, gemaakt van yttrium-ijzer-granaat, komt uit een nieuw gezamenlijk onderzoekscentrum gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting, genaamd Spin+X. Het werk werd ook ondersteund door de Europese Unie binnen het project InSpin en werd uitgevoerd in samenwerking met het Belgische onderzoeksinstituut voor nanotechnologie IMEC.

"Het motto van het onderzoekscentrum Spin+X is 'spin in zijn collectieve omgeving, ' dus het is in feite gericht op het onderzoeken van elk type interactie van spins - met licht en materie en elektronen enzovoort, " zei Tobias Fischer, een doctoraatsstudent aan de universiteit van Kaiserslautern in Duitsland, en hoofdauteur van het artikel. "Het hoofdbeeld waar we naar streven is min of meer het gebruik van spingolven bij informatieverwerking. Spingolven zijn de fundamentele excitaties van magnetische materialen."

Dus in plaats van klassieke elektrische stromen of spanningen te gebruiken om invoerinformatie naar een logische poort te sturen, het in Kaiserslautern gevestigde internationale team gebruikt trillingen in de collectieve spin van een magnetisch materiaal, waardoor in wezen magnetisatiegolven op nanoschaal worden gecreëerd die vervolgens kunnen interfereren om Booleaanse berekeningen te produceren.

"Je hebt atomaire magnetische momenten in je magnetische materiaal die met elkaar interageren en door deze interactie, er zijn golfachtige excitaties die zich kunnen voortplanten in magnetische materialen, " zei Fischer. "Het specifieke apparaat dat we aan het onderzoeken waren, is gebaseerd op de interferentie van deze golven. Als je golfexcitaties gebruikt in plaats van stromen [...] dan kun je gebruik maken van golfinterferentie, en dat brengt bepaalde voordelen met zich mee."

Het gebruik van golfinterferentie om de output van de meerderheidspoort te produceren, biedt twee parameters die kunnen worden gebruikt bij het regelen van informatie:de amplitude van de golf, en fase. In principe, dat maakt dit concept ook efficiënter omdat een meerderheidspoort tot 10 transistors in moderne elektronische apparaten kan vervangen.

"Het apparaat dat we aan het onderzoeken waren, bestaat uit drie ingangen waar we golven opwekken en ze combineren, " zei Fischer. "Afhankelijk van de invoerfasen waarin je de informatie codeert, die de fase van het uitgangssignaal bepaalt, Vandaar, het definiëren van de logische uitgangsstatus '0' of '1'. Dat is eigenlijk informatieverwerking en dat is wat we willen."

Dit eerste prototype van het apparaat, hoewel fysiek groter dan wat Fischer en zijn collega's zien voor uiteindelijk grootschalig gebruik, toont duidelijk de toepasbaarheid aan van spin-golffenomenen voor betrouwbare informatieverwerking op GHz-frequenties.

Omdat de golflengten van deze spingolven gemakkelijk te herleiden zijn tot nanoschaal, zo kan ook (hoewel misschien niet zo gemakkelijk) het poortapparaat zelf zijn. Hierdoor kan de functionaliteit daadwerkelijk worden verbeterd, het verminderen van de gevoeligheid voor ongewenste veldfluctuaties. Daarnaast, nano-schaling zal de spin-golfsnelheden verhogen, wat een toename van de rekensnelheid mogelijk maakt.

"Waar we naar streven is de miniaturisering van het apparaat, en hoe kleiner je het apparaat maakt, hoe minder gevoelig het wordt voor deze invloeden, Fischer zei. "Als je kijkt naar hoeveel golflengten in deze voortplantingslengte passen, hoe minder er zijn, hoe minder invloed een verandering van de golflengte op de output heeft. Dus in principe zou het downscalen van het apparaat ook meer voordelen met zich meebrengen."

Verder, net als antennes, een enkel apparaat kan tegelijkertijd op meerdere frequenties worden gebruikt. Dit maakt parallel computergebruik mogelijk met dezelfde "kern" van een toekomstige spin-wave-processor.

"Een van mijn collega's in Kaiserslautern houdt zich bezig met spin-golf multiplexing en de-multiplexing, " zei Fischer. "We gaan ook in die richting, om meerdere frequenties te gebruiken en dat zou een goede aanvulling [...] zijn op deze meerderheidspoort."