A spintronika az ugródeszka a szuperszámítógépek következő nemzedékéhez

A kutatók által létrehozott szerkezet

Az elektronikus számítógépekkel közeledünk egy elméleti határértékhez: a hagyományos csipek nem gyorsíthatók tovább anélkül, hogy túlmelegednének. Ideje ismerkednünk a spintronika fogalmával, mert ez a technológia szülheti a számítógépek következő, még gyorsabb nemzedékét.

Az Aalto Egyetem (Finnország) tudósai új spintronikai eszközt fejlesztettek ki, és kutatásuk részleteit a Nature Communications folyóiratban tették közzé. Az eredmények komoly lépést jelentenek a spintronika gyakorlati alkalmazása felé: a remények szerint az ezen az elven épített számítógépes csipek és egyéb mikroelektronikai eszközök még a mostaninál és miniatürizáltabb, ugyanakkor nagyobb teljesítményű adatfeldolgozást és kommunikációs technológiát tesznek majd lehetővé.

A mai mindennapok elektronikai eszközeiben mozgó elektromos töltések végzik az elemi műveleteket. Ezeket azonban már nemigen lehet jobban felgyorsítani, hiába küzdenek a mérnökök, hiszen a töltések mozgása hőt termel, és nagyjából elérkeztünk ahhoz a határhoz, ahol ha már csak egy kicsit is gyorsabb műveleteket szeretnénk picit is kisebb helyre zsúfolni, a csipek óhatatlanul túlmelegednének.

Mivel az elektronika miniatürizálásával a jelek szerint falhoz érkeztünk, aggályok merülnek fel azzal kapcsolatban, hogy folytatódhat-e a számítógépek teljesítménynövekedése és árcsökkenése abban az ütemben, ahogy azt az elmúlt hét évtizedben megszoktuk.

Itt lép színre a spintronika. A spin – amit magyarul olykor perdületnek hívnak, de a spin talán bevettebb elnevezés – ugyanúgy a részecskék, többek közt az elektronok elemi tulajdonsága, ahogy a töltésük is. A kutatókat azért izgatja a lehetőség, hogy a spint használják fel a műveletek elvégzéséhez, mert ezen az úton elkerülhető a jelenlegi számítógépes csipek melegedési problémája.

Ha spinhullámokat használunk, akkor a spin az, ami átadódik, és mivel töltésmozgás nem történik, hő sem keletkezik"

– emeli ki Sebastiaan van Dijken professzor, a cikket közlő csoport vezetője.

A kutatók által létrehozott szerkezet egy Fabry-Pérot rezonátor, az optikából jól ismert eszköz, amelyet szigorúan ellenőrzött hullámhosszú fénysugár előállításához használnak.

A kutatók által létrehozott szerkezet Forrás: Matt Allinson, Aalto University

Az eszköz most bemutatott spinhullám-változata lehetővé teszi, hogy mindössze néhány száz nanométeres léptékben spinhullámokat irányítsanak és szűrjenek vele. A szerkezetet rendkívül vékony, különleges mágneses tulajdonsággal bíró rétegek egymásra építésével alakították ki. Az eszköz anyaga csapdába ejti a spinhullámokat, amelyek így kioltják egymást, ha hullámhosszuk nem felel meg a kívántnak. „Az elgondolás újszerű, a megvalósítása mégis könnyű – magyarázza Huajun Qin, a cikk vezető szerzője. – A titok a jó minőségű anyagokban rejlik, és ez nekünk itt Aaltóban adott. Az, hogy az eszköz megépítése nem különösebben nehéz, azt jelenti, hogy számtalan izgalmas munkalehetőség áll előttünk."

Az elektronika felgyorsításának akadályai nem merülnek ki a túlmelegedés problémájában. Komplikációk adódnak a vezeték nélküli kommunikációban is, mivel a vezeték nélküli jeleket a maguk magasabb frekvenciájáról az elektromos áramkörök számára kezelhető alacsonyabb frekvenciákra kell alakítani. Ez az átalakítás lelassítja a folyamatot, és energiát is igénybe vesz.

A spinhullám-csipek ezzel szemben képesek a mobiltelefonok és a wi-fi eszközök által használt mikrohullámú jelfrekvenciákon működni, így a segítségükkel a mainál gyorsabb és megbízhatóbb vezeték nélküli kommunikációs technológiákat fejleszthetünk majd ki.

A spinhullámok más okból is gyorsabb számításokat engednek majd meg az elektronikus számítógépeknél, legalábbis bizonyos speciális alkalmazásokban. „Az elektronikus számítógépek ún. boole-i, vagyis bináris logikát használnak a számításaikhoz.

A spinhullámokban viszont az információt a hullám amplitúdója hordozza, ami sokkal inkább analóg típusú számítástechnikát tesz lehetővé

– fejtette ki van Dijken. – Ez nagyon hasznos lehet egyes feladattípusokra, mint például a képfeldolgozás vagy a mintázatfelismerés. A mi rendszerünkben az a nagyszerű, hogy a mérettartományánál fogva könnyen integrálható a mostani technológiába."

Most, hogy a rezonátor segítségével a csoport már tudja szűrni és irányítani a spinhullámokat, a következő lépés az lesz, hogy egy teljes áramkört építsenek belőle.

Egy mágneses áramkör kiépítéséhez a spinhullámokat különböző funkcionális alegységek felé kell tudnunk terelni, ugyanúgy, ahogy a vezetőréteg tereli az áramot az elektronikus mikrocsipekben. Ehhez hasonló struktúrákat próbálunk megalkotni a spinhullámok terelgetésére"

– mondta el Qin.