MIT-onderzoekers hebben een nieuw circuitontwerp bedacht dat nauwkeurige controle van computers met magnetische golven mogelijk maakt - zonder dat elektriciteit nodig is. De vooruitgang zet een stap in de richting van praktische magnetische apparaten, die het potentieel hebben om veel efficiënter te rekenen dan elektronica.

Klassieke computers zijn afhankelijk van enorme hoeveelheden elektriciteit voor computergebruik en gegevensopslag, en genereren veel verloren warmte. Op zoek naar efficiëntere alternatieven, onderzoekers zijn begonnen met het ontwerpen van magnetische "spintronische" apparaten, die relatief weinig stroom verbruiken en praktisch geen warmte opwekken.

Spintronische apparaten maken gebruik van de "spingolf" - een kwantumeigenschap van elektronen - in magnetische materialen met een roosterstructuur. Deze benadering omvat het moduleren van de spingolfeigenschappen om meetbare output te produceren die kan worden gecorreleerd aan berekening. Tot nu, het moduleren van spingolven vereist geïnjecteerde elektrische stromen met behulp van omvangrijke componenten die signaalruis kunnen veroorzaken en eventuele inherente prestatieverbeteringen effectief teniet doen.

De MIT-onderzoekers ontwikkelden een circuitarchitectuur die alleen een nanometer-brede domeinwand in gelaagde nanofilms van magnetisch materiaal gebruikt om een ​​passerende spingolf te moduleren, zonder extra componenten of elektrische stroom. Beurtelings, de spingolf kan worden afgestemd om de locatie van de muur te regelen, naar behoefte. Dit biedt nauwkeurige controle over twee veranderende spingolftoestanden, die overeenkomen met de enen en nullen die worden gebruikt in klassieke informatica.

In de toekomst, paren spingolven kunnen via dubbele kanalen in het circuit worden ingevoerd, gemoduleerd voor verschillende eigenschappen, en gecombineerd om meetbare kwantuminterferentie te genereren - vergelijkbaar met hoe fotongolfinterferentie wordt gebruikt voor kwantumcomputers. Onderzoekers veronderstellen dat dergelijke op interferentie gebaseerde spintronische apparaten, zoals kwantumcomputers, kan zeer complexe taken uitvoeren waar conventionele computers mee worstelen.

"Mensen beginnen te zoeken naar computers die verder gaan dan silicium. Wave computing is een veelbelovend alternatief, " zegt Luqiao Liu, een professor in het Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) en hoofdonderzoeker van de Spintronic Material and Device Group in het Research Laboratory of Electronics. "Door deze smalle domeinmuur te gebruiken, we kunnen de spingolf moduleren en deze twee afzonderlijke toestanden creëren, zonder echte energiekosten. We vertrouwen gewoon op spingolven en intrinsiek magnetisch materiaal."

Meedoen met Liu in het dagboek Wetenschap papier zijn Jiahao Han, Pengxiang Zhang, en Justin T. Hou, drie afgestudeerde studenten in de Spintronic Material and Device Group; en EECS-postdoc Saima A. Siddiqui.

Flipping magnonen

Spingolven zijn rimpelingen van energie met kleine golflengten. Brokken van de spingolf, die in wezen de collectieve spin van veel elektronen zijn, worden magnonen genoemd. Hoewel magnonen geen echte deeltjes zijn, zoals individuele elektronen, ze kunnen op dezelfde manier worden gemeten voor computertoepassingen.

In hun werk, gebruikten de onderzoekers een op maat gemaakte "magnetische domeinmuur, " een barrière ter grootte van een nanometer tussen twee aangrenzende magnetische structuren. Ze legden een patroon van kobalt/nikkel nanofilms - elk een paar atomen dik - met bepaalde gewenste magnetische eigenschappen die een hoog volume spingolven aankunnen. Daarna plaatsten ze de wand in de midden van een magnetisch materiaal met een speciale roosterstructuur, en verwerkte het systeem in een circuit.

Aan de ene kant van het circuit, de onderzoekers wekten constante spingolven in het materiaal op. Als de golf door de muur gaat, zijn magnons draaien onmiddellijk in de tegenovergestelde richting:Magnons in het eerste gebied draaien naar het noorden, terwijl die in de tweede regio - voorbij de muur - naar het zuiden draaien. Dit veroorzaakt de dramatische verschuiving in de fase (hoek) van de golf en een lichte afname in grootte (kracht).

Bij experimenten, de onderzoekers plaatsten een aparte antenne aan de andere kant van het circuit, die een uitgangssignaal detecteert en verzendt. Resultaten gaven aan dat, bij zijn output staat, de fase van de ingangsgolf is 180 graden gedraaid. De omvang van de golf - gemeten van de hoogste naar de laagste piek - was ook aanzienlijk afgenomen.

Wat koppel toevoegen

Vervolgens, de onderzoekers ontdekten een wederzijdse interactie tussen spingolf en domeinmuur die hen in staat stelde efficiënt te schakelen tussen twee toestanden. Zonder de domeinmuur, het circuit zou uniform worden gemagnetiseerd; met de domeinmuur, het circuit heeft een splitsing, gemoduleerde golf.

Door de spingolf te beheersen, ze ontdekten dat ze de positie van de domeinmuur konden bepalen. Dit berust op een fenomeen genaamd, "spin-overdracht koppel, " dat is wanneer draaiende elektronen in wezen een magnetisch materiaal schokken om zijn magnetische oriëntatie om te draaien.

In het werk van de onderzoekers ze versterkten de kracht van geïnjecteerde spingolven om een ​​bepaalde spin van de magnonen op te wekken. Dit trekt de muur in feite naar de versterkte golfbron. Daarbij, de muur komt vast te zitten onder de antenne, waardoor het effectief niet in staat is om golven te moduleren en een uniforme magnetisatie in deze staat te garanderen.

Met behulp van een speciale magnetische microscoop, ze toonden aan dat deze methode een verschuiving van micrometergrootte in de muur veroorzaakt, wat voldoende is om het overal langs het materiaalblok te plaatsen. Opmerkelijk, het mechanisme van magnon spin-overdracht koppel werd voorgesteld, maar niet aangetoond, een paar jaar geleden. "Er was een goede reden om te denken dat dit zou gebeuren, "zegt Liu. "Maar onze experimenten bewijzen wat er werkelijk zal gebeuren onder deze omstandigheden."

Het hele circuit is als een waterleiding, zegt Liu. De klep (domeinmuur) regelt hoe het water (spingolf) door de leiding (materiaal) stroomt. "Maar je kunt je ook voorstellen dat je de waterdruk zo hoog maakt, het breekt de klep af en duwt het stroomafwaarts, " zegt Liu. "Als we een voldoende sterke spingolf toepassen, we kunnen de positie van de domeinmuur verplaatsen, behalve dat deze iets stroomopwaarts beweegt, niet stroomafwaarts."

Dergelijke innovaties kunnen praktische wave-based computing mogelijk maken voor specifieke taken, zoals de signaalverwerkingstechniek, genaamd "snelle Fourier-transformatie." Volgende, de onderzoekers hopen een werkend golfcircuit te bouwen dat basisberekeningen kan uitvoeren. Onder andere, ze moeten materialen optimaliseren, potentiële signaalruis verminderen, en verder bestuderen hoe snel ze tussen staten kunnen schakelen door over de domeinmuur te bewegen. "Dat is de volgende op onze to-do lijst, "zegt Liu.