Классические компьютеры используют огромное количество электроэнергии для вычислений и хранения данных, а также выделяют много тепла. В поисках более эффективных альтернатив исследователи начали разрабатывать магнитные «спинтронные» устройства, которые потребляют относительно мало электроэнергии и практически не выделяют тепла.
Устройства спинтроники используют «спиновую волну» – квантовое свойство электронов – в магнитных материалах с решетчатой структурой.
Этот подход включает в себя модуляцию свойств спиновой волны для получения измеримого результата, который можно сопоставить с вычислением. До сих пор для модуляции спиновых волн требовалось вводить электрические токи с использованием громоздких компонентов, которые могут вызывать шум сигнала и эффективно сводить на нет любое присущее повышение производительности.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали архитектуру схемы, которая использует только доменную стенку нанометровой ширины в слоистых нанопленках магнитного материала для модуляции проходящей спиновой волны без каких-либо дополнительных компонентов или электрического тока. В свою очередь, спиновая волна может быть настроена для управления расположением стены по мере необходимости.
Это обеспечивает точное управление двумя изменяющимися состояниями спиновой волны, которые соответствуют единицам и нулям, используемым в классических вычислениях.
В будущем пары спиновых волн могут подаваться в схему через двойные каналы, модулироваться для различных свойств и объединяться для создания некоторой измеримой квантовой интерференции – аналогично тому, как интерференция фотонных волн используется для квантовых вычислений.
Исследователи предполагают, что такие устройства спинтроники, основанные на интерференции, такие как квантовые компьютеры, могут выполнять очень сложные задачи, с которыми обычные компьютеры борются.
"Люди начинают искать не только кремниевые вычисления. Волновые вычисления – многообещающая альтернатива ", – говорит Луцяо Лю, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) и главный исследователь группы материалов и устройств Spintronic в Исследовательской лаборатории электроники. "Используя эту узкую доменную стенку, мы можем модулировать спиновую волну и создавать эти два отдельных состояния без каких-либо реальных затрат энергии. Мы просто полагаемся на спиновые волны и собственный магнитный материал."
К Лю на бумаге присоединились Цзяхао Хан, Пэнсян Чжан и Джастин Т. Хоу, трое аспирантов из группы материалов и устройств спинтроники; и постдок EECS Сайма А. Сиддики.
Переворачивая магноны
Спиновые волны – это колебания энергии с небольшими длинами волн. Куски спиновой волны, которые, по сути, представляют собой коллективный спин многих электронов, называются магнонами.
Хотя магноны не являются настоящими частицами, как отдельные электроны, их можно точно так же измерить для вычислительных приложений.
В своей работе исследователи использовали индивидуальную «магнитную доменную стенку», барьер нанометрового размера между двумя соседними магнитными структурами. Они уложили узор из нанопленок кобальта / никеля – каждая толщиной в несколько атомов – с определенными желательными магнитными свойствами, которые могут обрабатывать большой объем спиновых волн.
Затем они поместили стену в середине магнитного материала со специальной решетчатой структурой и включили систему в цепь.
На одной стороне цепи исследователи возбуждали постоянные спиновые волны в материале.
Когда волна проходит сквозь стену, ее магноны немедленно вращаются в противоположном направлении: магноны в первой области вращаются на север, а те, что во второй области – за стеной – вращаются на юг. Это вызывает резкий сдвиг фазы (угла) волны и небольшое уменьшение ее величины (мощности).
В экспериментах исследователи разместили отдельную антенну на противоположной стороне схемы, которая обнаруживает и передает выходной сигнал.
Результаты показали, что в его выходном состоянии фаза входной волны перевернута на 180 градусов. Амплитуда волны, измеряемая от самого высокого до самого низкого пика, также значительно уменьшилась.
Добавление крутящего момента
Затем исследователи обнаружили взаимное взаимодействие между спиновой волной и доменной стенкой, которое позволило им эффективно переключаться между двумя состояниями. Без доменной стенки цепь была бы намагничена равномерно; с доменной стенкой схема имеет расщепленную модулированную волну.
Управляя спиновой волной, они обнаружили, что могут управлять положением доменной стенки.
Это основано на явлении, называемом «крутящий момент передачи спина», когда вращающиеся электроны по существу встряхивают магнитный материал, изменяя его магнитную ориентацию.
В своей работе исследователи увеличили мощность инжектированных спиновых волн, чтобы вызвать определенный спин магнонов. Это фактически притягивает стену к усиленному источнику волны. При этом стена застревает под антенной, что фактически лишает ее способности модулировать волны и обеспечивает равномерное намагничивание в этом состоянии.
С помощью специального магнитного микроскопа они показали, что этот метод вызывает сдвиг стенки на микрометр, которого достаточно, чтобы разместить ее в любом месте на блоке материала. Примечательно, что механизм передачи вращающего момента магнонов был предложен, но не продемонстрирован несколько лет назад. «Были веские основания полагать, что это произойдет», – говорит Лю. "Но наши эксперименты доказывают, что на самом деле произойдет в этих условиях."
Лю говорит, что вся цепь похожа на водопровод. Клапан (доменная стенка) контролирует, как вода (спиновая волна) течет по трубе (материалу). «Но вы также можете представить, что давление воды настолько велико, что клапан ломается и он толкается вниз по потоку», – говорит Лю. "Если мы применим достаточно сильную спиновую волну, мы можем сместить положение доменной стенки – за исключением того, что она смещается немного вверх по потоку, а не вниз по потоку."
Такие нововведения могут сделать возможным практические вычисления на основе волн для конкретных задач, таких как метод обработки сигналов, называемый «быстрым преобразованием Фурье."Затем исследователи надеются построить работающую волновую схему, которая сможет выполнять базовые вычисления. Помимо прочего, они должны оптимизировать материалы, уменьшить потенциальный шум сигнала и дополнительно изучить, насколько быстро они могут переключаться между состояниями, перемещаясь по доменной границе. «Это следующее в нашем списке дел», – говорит Лю.