Computerworld News Service: I en forskningsartikel i det videnskabelige tidsskrift Nature fremlægger forskere fra IBM, hvordan de har opnået et gennembrud inden for såkaldt spintronics, der med tiden kan give væsentlig større kapacitet og lavere strømforbrug i hukommelses- og storage-produkter.
Spintronics (spin transport electronics) er elektronik, der udnytter elektroners spin i et magnetisk felt i kombination med et læse-/skrivehoved til at skrive og læse bits på halvleder-materiale.
Forskerne er i stand til at repræsentere en bit ved at foretage ændringer op eller ned - relativt til det rum hvori elektronen befinder sig - i en elektrons akse.
En elektron med en akse, der peger opad kan repræsentere et ettal, mens en elektron med en akse, der peger nedad, kan repræsentere et nul.
Ikke anvendes i praksis
Man har længe haft det problem i spintronics, at elektronerne kun har kunnet holde en op- eller ned-orientering i 100 picosekunder.
Et picosekund er kun 0,000000001 millisekund og 100 picosekunder er ikke længe nok til at gennemføre en enkelt CPU-cyklus. Derfor har man endnu ikke kunnet anvende spintronics i praksis.
I den forskningsartikel, der vil blive offentliggjort i Nature, beskriver forskere fra IBM Research og Laboratory for Solid State Physics ved Swiss Federal Institute of Technology Zürich, hvordan de har fundet en måde at synkronisere elektroner, så man teoretisk set kan forlænge deres spin-levetid med en faktor 30 til 1,1 nanosekund.
Det er cirka så lang tid, en CPU-cyklus tager for en processor på én gigahertz.
Laserimpulser
Forskerne fra IBM har brugt ultrakorte laserpulser til at overvåge udviklingen af tusindvis af elektroners spin, der var skabt samtidigt på et meget lille område, fortæller Gian Salis, der er medforfatter til forskningsartiklen i Nature og arbejder i forskningsgruppen Physics of Nanoscale Systems hos IBM Research.
Som regel er det sådan med den slags forsøg, at elektronerne roteres tilfældigt og hurtigt mister deres orientering.
Her lykkedes det dog forskerne fra IBM og ETH at arrangere elektronernes spin i et regulært kanallignende mønster - den såkaldte persistente spin-helix.
Konceptet med at låse spin-rotationen blev oprindeligt fremsat som teori tilbage i 2003, fortæller Salis. Siden da har nogle få eksperimenter indikeret en sådan låsning, men processen er aldrig før blevet observeret direkte, tilføjer han.
Derfor er spintronics så genial - sådan fungerer det
"Disse rotationer af retningen af spin var komplet ukorrelerede," siger Salis. "Nu kan vi synkronisere denne rotation, så de ikke mister deres spin men også roterer som en dans, alt sammen i samme retning."
"Vi har vist, at vi forstår til fulde, hvad der foregår, og vi har demonstreret, at teorien fungerer i praksis," fastslår han.
Forskerne fra IBM har anvendt materialet galliumarsenid, der i udbredt grad bruges i elektronik, dioder og solceller som det primære halvledermateriale.
Almindelig elektronik er i dag baseret på elektronladning.
Men denne teknik bliver begrænsende, når halvlederne bliver så små, at man ikke længere kan kontrollere gennemstrømningen af elektroner.
Udnytter spin istedet for ladning
NAND-flash-produkter bruger for eksempel allerede i dag kredsløb, der er mindre end 20 nanometer brede, hvilket nærmer sig den atomare skala.
Spintronics kan gøre den videre teknologiske udvikling mulig ved at udnytte elektroners spin i stedet for deres ladning.
Dette gennembrud inden for spintronics giver ikke alene forskerne hidtil uhørt kontrol over de magnetiske virkninger i elektroniske produkter, men skaber også nye muligheder for at udvikle mere energieffektive elektroniske produkter.
Det er da heller ikke kun IBM, der forsker i spintronics.
For få år siden lykkedes det forskere ved Institute of Materials Physics and Chemistry i Strasbourg i Frankrig at bygge en ny laser-teknologi funderet på spintronics. Det vandt de Nobel-prisen i fysik for i 2007.
100.000 gange hurtigere
De franske fysikere opdagede en måde at bruge lasere til at gøre hastigheden på harddiskes input/output op til 100.000 gange hurtigere end med den nuværende teknologi.
Et problem i spintronics har dog været, at de magnetiske sensorer, der bruges til at detektere bits, har været for langsomme.
Men i den franske forskning fra 2007, der blev offentliggjort i Nature Physics, anvendte fysikerne en såkaldt "femtosekund"-laser, der bruger meget hurtige laser-salver til at ændre elektroners spin og derved øge læse-/skrivehastigheden.
IBM's forskere mener, at deres gennembrud gør det muligt at skabe transistorer og ikke-volatil storage, der vil bruge betydeligt mindre strøm end den nuværende NAND-flash-teknologi.
Det eneste problem er bare, at forskerne indtil videre ikke har været i stand til at genskabe deres resultater ved noget, der ligner stuetemperatur, hvilket er et krav for realistisk at kunne anvende teknologien i hukommelses- eller processor-produkter.
På nuværende tidspunkt foregår forsøgene ved den meget lave temperatur 40 grader kelvin, hvilket er -233 grader celsius.
"Der er endnu intet produkt, der kan anvende denne teknik, men det er et gennembrud, da vi nu ved, hvordan man øger elektroners spins levetid i kanaler," forklarer Sails.
"Noget, vi rigtig gerne vil, er at øge denne spin-levetid med en faktor 30."
Oversat af Thomas Bøndergaard
