Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een potentieel nieuwe manier aangetoond om schakelaars te maken in de verwerkingschips van een computer, waardoor ze minder energie verbruiken en minder warmte uitstralen.

Het team heeft een praktische techniek ontwikkeld voor het beheersen van magnonen, die in wezen golven zijn die door magnetische materialen reizen en informatie kunnen dragen. Om magnons te gebruiken voor informatieverwerking is een schakelmechanisme vereist dat de transmissie van een magnon-signaal door het apparaat kan regelen.

Terwijl andere laboratoria systemen hebben ontwikkeld die magnonen vervoeren en controleren, de aanpak van het team brengt twee belangrijke primeurs:de elementen kunnen worden gebouwd op silicium in plaats van op exotische en dure substraten, zoals andere benaderingen hebben gevraagd. Het werkt ook efficiënt bij kamertemperatuur, in plaats van koeling nodig te hebben. Om deze en andere redenen deze nieuwe benadering kan gemakkelijker worden toegepast door computerfabrikanten.

"Dit is een bouwsteen die de weg zou kunnen effenen voor een nieuwe generatie zeer efficiënte computertechnologie, " zei teamlid Patrick Quarterman, een natuurkundige bij het NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Andere groepen hebben magnons gemaakt en gecontroleerd in materialen die niet goed integreren met computerchips, terwijl de onze is gebouwd op silicium. Het is veel levensvatbaarder voor de industrie."

Magnonen, ook wel spingolven genoemd, zou de eigenschap van elektronenspin benutten om informatie over te dragen. Een van de redenen waarom computerchips zo heet worden, is dat in een conventioneel circuit, elektronen reizen van de ene plaats naar de andere, en hun beweging genereert warmte. een magnon, echter, beweegt door een lange reeks elektronen, die zelf niet hoeven te reizen. In plaats daarvan, De spinrichting van elk elektron - wat een beetje lijkt op een pijl die door de as van een tol loopt - heeft een magnetische invloed op de spinrichting van het volgende elektron in de rij. Het tweaken van de spin van het eerste elektron stuurt een golf van spinveranderingen die zich door de snaar voortplanten. Omdat de elektronen zelf niet zouden bewegen, veel minder warmte zou ontstaan.

Omdat de elektronenstreng zich van de ene plaats naar de andere uitstrekt, de magnon kan informatie dragen terwijl deze door de snaar reist. In chips op basis van magnon-technologie, grotere en kleinere golfhoogten (amplitudes) kunnen enen en nullen vertegenwoordigen. En omdat de golfhoogte geleidelijk kan veranderen, een magnon kan waarden tussen één en nul vertegenwoordigen, waardoor het meer mogelijkheden heeft dan een conventionele digitale schakelaar.

Hoewel deze voordelen op magnon gebaseerde informatieverwerking in theorie een verleidelijk idee hebben gemaakt, tot nu toe zijn de meeste succesvolle structuren gebouwd in meerdere lagen dunne films die bovenop een basis van gadolinium gallium-granaat zitten, in plaats van bovenop het silicium waarvan commerciële chips zijn gemaakt. Dit "GGG"-materiaal zou onbetaalbaar zijn voor massaproductie.

"Het is een leuke natuurkundespeeltuin die de basisprincipes demonstreert, " Kwartier zei:"maar het is niet praktisch voor productie op industriële schaal."

Echter, Yabin Fan en zijn collega's van het MIT gebruikten een creatieve technische benadering om de dunne films op een basis van silicium te leggen. Hun doel was om hun systeem te bouwen bovenop het materiaal waarmee de computerindustrie al lang gewend is om mee te werken, waardoor magnons kunnen communiceren met conventionele computertechnologie.

aanvankelijk, hun meerlaagse creatie gedroeg zich niet zoals verwacht, maar wetenschappers van de NCNR gebruikten een techniek genaamd neutronenreflectometrie om het magnetische gedrag in het apparaat te onderzoeken. De neutronen onthulden een onverwachte maar voordelige interactie tussen twee van de dunne filmlagen:afhankelijk van de hoeveelheid aangelegd magnetisch veld, de materialen ordenen zichzelf op verschillende manieren die de "aan" of "uit" -status van een schakelaar kunnen vertegenwoordigen, evenals posities tussen aan en uit, waardoor het lijkt op een klep.

"Als je het magnetische veld verlaagt, de richtingsschakelaars, " zei Fan, een postdoctoraal medewerker op de afdeling elektrotechniek van MIT. "De gegevens zijn heel duidelijk en lieten ons zien wat er op verschillende diepten gebeurde. Er is een zeer sterke koppeling tussen de lagen."

De magnon-schakelaar kan ook worden gebruikt in apparaten die een ander soort rekenwerk doen. Conventionele digitale schakelaars kunnen alleen in aan of uit toestanden bestaan, maar omdat de amplitude van de spingolf geleidelijk kan veranderen van klein naar groot, het is mogelijk dat magnons worden gebruikt in analoge computertoepassingen, waarbij de schakelaar waarden heeft die tussen 0 en 1 liggen.

"Daarom beschouwen we dit meer als een klep, ' zei Quarterman. 'Je kunt het stukje bij beetje openen of sluiten.'

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.