NIST heeft een patent gekregen voor technologie die de komst van een langverwachte nieuwe generatie hoogwaardige, energiezuinige computers.

Conventionele micro-elektronische apparaten, voor het grootste gedeelte, werken door het manipuleren en opslaan van elektrische ladingen in halfgeleidertransistoren en condensatoren. Dit kost veel energie en genereert veel warmte, vooral omdat procesingenieurs manieren blijven vinden om meer en kleinere functies in geïntegreerde schakelingen te verpakken. Stroomverbruik is een van de belangrijkste obstakels geworden voor veel betere prestaties.

Een veelbelovende alternatieve benadering, genaamd "spintronica, " gebruikt de kwantumspin van het elektron om informatie vast te houden naast de lading. De twee verschillende spinoriëntaties (meestal aangeduid als "omhoog" en "omlaag") zijn analoog aan positieve en negatieve elektrische ladingen in conventionele elektronica. Omdat het veranderen van de spin van een elektron vereist zeer weinig energie en kan zeer snel gebeuren, spintronics biedt de mogelijkheid tot forse energiebesparing.

"Onze uitvinding, ", zegt mede-uitvinder Curt Richter van NIST's Engineering Physics Division, "is ontworpen om één sleutelcomponent te bieden in spintronische systemen. Het is een heel eenvoudig, fundamentele bouwsteen die op verschillende manieren kan worden gebruikt. Het kan dienen als een aan-uitschakelaar voor spinstromen, als een verbinding tussen verschillende spintronische componenten, en als interface tussen magnetische en elektronische functies om multifunctionele apparaten te realiseren."

Spin is wat magnetische dingen magnetisch maakt:elk elektron gedraagt ​​zich een beetje als een staafmagneet, met twee tegengestelde polen. Materialen waarin de meeste elektronenspins in dezelfde richting zijn uitgelijnd (gepolariseerd) produceren een magnetisch veld met dezelfde oriëntatie. Elektronen met dezelfde spin-uitlijning als het materiaal gaan er gemakkelijk doorheen; elektronen met de tegenovergestelde uitlijning worden geblokkeerd.

Van deze eigenschap is gebruik gemaakt om microscopisch kleine "spinkleppen" te maken, meestal een kanaal met aan elk uiteinde een magnetische laag. De relatieve polariteit van de twee magneten zet de klep aan of uit:Als beide magneten dezelfde uitlijning hebben, de spin-gepolariseerde stroom gaat door het kanaal. Als de magneten tegengesteld zijn uitgelijnd, stroom kan niet vloeien.

Het apparaat wordt "geschakeld" door de polariteit van één magneet om te keren, dat wordt gedaan door een voldoende stroom van elektronen met de tegenovergestelde spin aan te leggen. Echter, het omdraaien van de polariteit van de magneet kost meer energie dan onderzoekers zouden willen.

"Typisch met spinventielen, " zegt Richter. "Je moet een aanzienlijke hoeveelheid spinstroom laten vloeien om het onderdeel om te draaien. Grotere stromen betekenen dat u meer energie verbruikt en meer warmte genereert. Onze uitvinding vermindert beide drastisch."

Aanvankelijk, de onderzoekers waren niet van plan een apparaat te maken of een patent te verkrijgen. Ze werkten niet eens direct aan spintransport. Ze bestudeerden het gedrag van een andere klasse apparaten die gewoonlijk "memristors" (geheugenweerstanden) worden genoemd. een technologie die amper tien jaar oud is, maar algemeen wordt aangekondigd als een potentieel hogesnelheids-, energiezuinig basiselement voor toekomstige computers.

Memristors zijn gelaagde microstructuursandwiches met een elektrode aan de boven- en onderkant, waartussen zich een laag metaal (bijvoorbeeld koper) bevindt die een goede elektrische geleider is en een laag materiaal (zoals bepaalde oxiden) die een slechte geleider is. Deze configuratie is ook de meest voorkomende structuur die wordt gebruikt in een nieuw type geheugen dat resistief willekeurig toegankelijk geheugen (RRAM of ReRAM) wordt genoemd. Wanneer er in één richting een spanning op de elektroden wordt gezet, stroom kan vloeien. Door de spanning om te draaien, wordt de stroom uitgeschakeld.

Wetenschappers geloven dat de reden voor dit fenomeen is dat wanneer een voorspanning in één richting wordt toegepast, het zorgt ervoor dat atomen van de metalen geleider diffunderen in en interageren met het oxide, vormen kleine metalen filamenten die fungeren als kanalen met lage weerstand die door de isolerende laag dringen. Als de spanning in de tegenovergestelde richting wordt aangelegd, de oxidelaag is ontdaan van metaalatomen, en de weerstand neemt toe.

Hoe dan ook, wanneer de voorspanning wordt verwijderd, de weerstandstoestand van het oxide is bevroren. Omdat die toestand werd gevormd door een specifieke vooringenomenheid die in een specifieke richting werd toegepast, het apparaat "onthoudt" zijn laatste weerstand. Die eigenschap maakt memristors aantrekkelijk voor gebruik in "niet-vluchtig" computergeheugen waarin de opgeslagen informatie niet verdwijnt wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

"Dus toen we begonnen, er waren spinkleppen en er waren memristors, ', zegt Richter. 'Maar niemand had eraan gedacht om ze in elkaar te zetten. Als meetmensen bij NIST, we hebben er oorspronkelijk niet aan gedacht om ze samen te voegen om een ​​nieuw apparaat uit te vinden. We hebben ze samengevoegd zodat we metingen konden doen om beter te begrijpen hoe memristors werken.

"We wilden onderzoeken hoe deze spanningsschakelaar aan en uit gaat. We dachten dat als we spin aan de analyse zouden toevoegen, we zouden meer inzicht kunnen krijgen in hoe een normale memristor werkt. In het proces om dat te doen, we maakten dit apparaat en zeiden 'Hé, dit ding op zich heeft zeer interessante technologische gevolgen.' Het combineert het niet-vluchtige geheugen in memristors met de technologie van een spinklep om een ​​apparaat te creëren waarmee je een spinkanaal kunt in- en uitschakelen."

"Wat het uniek maakt, is dat je een spinkanaal kunt openen of sluiten met een elektrische bediening, " zegt mede-uitvinder Hyuk-Jae Jang. "En dus met een kleine hoeveelheid spanning, we kunnen de spinstroom in sub-nanoseconde tijd in- en uitschakelen zonder de polariteit van de ferromagnetische elektrode van een spinklep te hoeven omdraaien. Deze operatie met hoge snelheid en laag stroomverbruik is essentieel voor het bouwen van toekomstige op spintronica gebaseerde logische technologie ter vervanging van de huidige op CMOS gebaseerde elektronicatechnologie die wordt gebruikt om tegenwoordig bijna alle geïntegreerde schakelingen te fabriceren."

Het NIST-patent heeft betrekking op apparaten die zijn gemaakt met een verscheidenheid aan materialen. De primaire combinatie die werd gebruikt in de experimenten van de uitvinders was, van onder naar boven, een magnetische basislaag gemaakt van kobalt die dient om de elektronen te spinpolariseren, een isolerende laag van tantaaloxide, een laag koper, en een legering bovenelektrode.

In de "aan" configuratie, de koperatomen worden in het oxide getrokken en hun filamenten strekken zich helemaal uit tot aan de basiskobaltlaag. Het omkeren van de spanning zorgt ervoor dat het koper zich terugtrekt, en "er is een leeg gebied in de oxidelaag, ', zegt Richter. 'Zodra dat gebeurt, de stroom stopt. Het kan maar een paar atomen verwijderd zijn, vanwege de exponentiële afname met de afstand. Dat maakt het een zeer energiezuinige switch."

Jan Kramar, Waarnemend hoofd van NIST's Engineering Physics Division, noemt het werk "een zeer opwindende uitvinding die een geweldige oplossing biedt voor het schakelenergieprobleem voor spinkleppen. Het verwijdert een belangrijke technologische barrière voor spintronica om een ​​sterke concurrent te worden voor micro-elektronica buiten de CMOS."