Veijo Hänninen
Spintroniikka kohti käytäntöä
Spintroniikan on tekniikan ala, jossa informaation käsittely ja siirto perustuisi elektronien spiniin eikä niinkään niiden varauksiin.
Spintroniikan perustoimintoja voidaan toteuttaa laboratorioissa jo monenlaisissa materiaaleissa ja menetelmillä. Niitä on toteutettu timanttien, grafeenin, magneettisten ja antimagneettisten materiaalien sekä kaksiulotteisten yhdisteiden avulla.
Visioita tulevaisuudesta
Vuonna 2015 Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) materiaalitieteen professori Caroline Ross ja Geoffrey Beach tutkivat, miten nanomagneettien elektronien "spiniä" voitaisiin manipuloida luotaessa nopeampia ja energiatehokkaampia spintronisia tietokoneita.
Professorit ovat jäseniä Center for Spintronic Materials, Interfaces and Novel Architectures (C-SPIN) -yhteisössä. Tämä University of Minnesotan kokoama tutkijayhteisö perustettiin vuonna 2013 ja siihen kuuluu nykyään 36 eksperttiä 21:sta yliopistosta ja he yrittävät rakentaa tietokoneita uudelleen alhaalta ylöspäin.
C-SPIN tutkijat haluavat käyttää nanomagneettien elektronien spinejä koodaamaan nollia ja ykkösiä. Jos he onnistuvat, tietokoneet vuonna 2025 voisivat olla kymmenen kertaa nopeampia kuin nykyiset ja käyttäen vain yhden prosentin verran vastaavasta energiasta.
Vuonna 2015 professorit ennakoivat, että "ei ole vaikea kuvitella tietokoneen vuonna 2025 sisältävän spinpohjaisen RAM-muistin ja jonkintasoista spin-perustaista prosessointia."
Spintransistori ja tiedonsiirtoa
Keväällä Groningenin yliopiston fyysikot kertoivat onnistuneensa muuttamaan spin-aaltojen vuota magneetin läpi tasavirran avulla. Tämä on askel kohti spintransistoria, joka perustuisi magnoniin. Magnoneita voi ajatella aaltona tai hiukkasena, kuten elektroneita.
Kokeissaan tutkija tuottivat magnoneja materiaaleissa, jotka ovat magneettisia mutta sähköisesti eristäviä. Elektronit eivät voi kulkea magneetin läpi, mutta spinaallot voivat.
Järjestelmän hienous on se, että spin-injektio ja spin-virtojen ohjaus saadaan aikaan tasavirralla, mikä tekee näistä spintronisista rakenteista yhteensopivia normaalin elektroniikan kanssa.
Äskettäin Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzin (JGU) fyysikot yhteistyössä eurooppalaisten tutkijoiden kanssa onnistuivat havainnoimaan aiemmista poiketen ensimmäistä mikropiirissä tarvittavan matkan tiedonsiirtoa antiferromagneettisessa aineessa.
Tässäkin on kyse magnonaalloista, jotka pystyvät kuljettamaan informaatiota ilman ylimääräisen lämmön tuotannon haittaa. Tutkijat osoittivat, että antiferromagneettinen rautaoksidi, joka on ruosteen tärkein osa, on edullinen ja lupaava materiaali kuljettaa spinin kantamaa informaatiota nykyelektroniikkaan verrattuna pienellä lämmöntuotolla ja paremmilla nopeuksilla.
Spinejä timantissa
Spinejä harkitaan käytettäväksi jopa kvanttitietokoneissa.
Tutkijoiden mukaan teknologia tarjoaa mahdollisen vaihtoehtoisen strategian jopa kvantti-tietokoneiden rakentamiseksi. Kvanttikoherentissa tilassaan spin voi toimia kubittina eli kvanttitietokoneen informaation perusyksikkönä.
Spintroniikkaa ja topologiaa
Tutkijoiden uusimpia löytöjä spintroniikan parissa ovat topologiset materiaalit ja kiraaliset ilmiöt.
Topologisissa eristeissä elektronien spin on suojattu sironnalta liikkuessaan topologisten eristeinen pintakanavien läpi.
Baselin yliopiston ja Sveitsin Nanoscience Instituten fyysikot kertoivat heinäkuussa 2017 kehittäneensä tekniikan, jossa jännitteellä hallitaan elektronin spiniä sirulla. Kehitetty menetelmä antaa suojan spinin rappeutumiselle, eli spinin sisältämää informaatiota voidaan säilyttää ja siirtää suhteellisen pitkiä matkoja.
Monien vuosien ajan tutkijat ovat yrittäneet käyttää elektronin spiniä tallentamaan ja välittämään informaatiota. Kunkin elektronin spin on aina kytketty sen liikkeeseen, eli sen kiertorataan sirun sisällä. Tämä spin-orbit kytkentä mahdollistaa elektronin spinin manipuloinnin ulkoisella sähkökentällä, mutta se aiheuttaa myös spinin orientaation rappeutumisen.
Sveitsiläisten kehittämässä tekniikassa elektroni pyörii tasaisesti kiertoradallaan materiaalin läpi ilman spinin rappeutumista. Spinin orientaatio seuraa spiraalimaisesti samanlaista kierrettä. Jos jännitettä kahdessa hilaelektrodissa muutetaan, se vaikuttaa kierteen aallonpituuteen; eli spinin orientaatioon voidaan vaikuttaa jännitteen muutoksella.
Tämä mahdollisti tutkijoiden käyttää jännitteitä spin suunnan säätämiseksi yli 20 mikrometrin matkoilla, mikä on jo riittävä matka mikropiirillä.
Kuvassa elektronit kiertävät tiensä sirun läpi spiraalimuodossa. Jännitteellä säätö johtaa tämän kuvion aallonpituuksien muutoksiin ja siten spinin orientaatiota voidaan ohjata. Tietyllä paikalla (harmaalla osalla) elektronin spinillä on eri suuntaus riippuen jännitteestä.
Kiraalisuutta ja orbitroniikkaa
Berkeley Labin tutkijoiden johtamassa tutkimuksessa tutkijat ovat löytäneet järjestyneitä magneettikuviota epäjärjestäytyneessä magneettisessa materiaalissa.
Tutkijaorganisaatio on vahvistanut löytäneensä erityisominaisuuden, joka tunnetaan nimellä "kiraalisuus", jota voitaneen hyödyntää datan siirtämiseen ja säilyttämiseen uudella tavalla.
Tutkijat toivovat kiraalisuuden hallintaa - kuten oikeakätisyyttä tai vasenkätisyyttä - hallitsemaan magneettisia alueita ja välittämään nollia ja ykkösiä kuten tavallisessa tietokoneen muistissa.
Tässä spin-orbitroniikaksi nimetyllä tutkimuskentällä "topologisesti suojatut" (stabiilit ja joustavat) spintekstuurit, joita kutsutaan skyrmioneiksi, voisivat mahdollisesti korvata pienien alueseinämien etenemisen materiaalissa ja johtaa pienempiin ja nopeampiin laskentapiireihin, joilla on pienempi virrankulutus kuin tavanomaisilla laitteilla.
Uusi materiaali tietotekniikan puolijohdeteollisuudelle
Minnesotan yliopiston johtama tutkijoiden ryhmä on kehittänyt materiaalin, joka saattaisi parantaa lähiajan tietotekniikan tehokkuutta.
Tutkijat ovat jo hakeneet patenttia materiaalille Semiconductor Research Corporationin tukemana ja puolijohdeteollisuus on jo kysellyt näytteitä materiaalista.
"Käytimme kvanttimateriaalia, joka on viime vuosina herättänyt puolijohdeteollisuudessa paljon huomiota, mutta loimme sen ainutlaatuisella tavalla, mikä johti materiaaliin, jossa on uusia fysikaalisia ja spin-sähköisiä ominaisuuksia, jotka voisivat suuresti parantaa tietojenkäsittelyn ja muistin tehokkuutta, "toteaa johtava tutkija Jian-Ping Wang Minnesotan yliopistosta.
Uusi materiaali kuuluu topologisiin eristeisiin mutta ne valmistetaan yleensä menetelmillä, joita ei voida helposti skaalata käytettäväksi puolijohdeteollisuuteen.
Tutkijoiden lähtökohtana oli vismutti-seleeni yhdistelmä (Bi2Se3). Sitten he käyttivät ohutkalvon kerrostamisen tekniikkana sputterointia. Menetelmää käytettiin nyt ensimmäistä kertaa luomaan topologinen eristemateriaali, joka voitaisiin skaalata puolijohde- ja magneettiteollisuuden sovelluksiin.
Sputterointitekniikan tuottamat alle kuuden nanometrin rakeet tuottivat topologisessa eristekerroksessa uusia yllättäviä fysikaalisia ominaisuuksia materiaaleille, mikä muutti elektronien käyttäytymistä materiaalissa.
Testauksen jälkeen materiaalin todettiin olevan 18 kertaa tehokkaampi prosessoinnissa ja muistikäytössä verrattuna nykyisiin materiaaleihin.
Tutkijoiden mukaan tämä on vasta alkua ja että tämä keksintö voisi avata oven parempaan kehitykseen puolijohdeteollisuudessa samoin kuin siihen liittyvillä aloilla, kuten magneettisen satunnaismuistin (MRAM) tekniikalle.
Elektronimikroskoopin kuva näytteestä, jota käytettiin Minnesotan varaus-spin konversiokokeessa. Alle kuuden nanometrin kokoiset rakeet topologisessa eristekerroksessa loivat materiaaliin uusia fysikaalisia ominaisuuksia.
Antureita, kapasitanssia ja tekoälyä
Tutkijat ovat esitelleet myös erityisiä käytännöllisiä spin sovelluksia kuten venäläisten Ioffe Physical-Technical Instituutissa toteuttama spin-tiloja hyödyntävä anturi, joka voi määrittää näytteen lämpötilan yhden kuutiomikrometrin resoluutiolla.
Magnetokapasitanssi voi olla erityisen hyödyllinen esimerkiksi magneettisissa antureissa ja spintronisissa laitteissa kuten tietokoneen kiintolevyt ja seuraavan sukupolven RAM-muistipiirit.
Tohoku Universityn tutkijat ovat puolestaan ensimmäisinä osoittaneet spintroniikkapohjaisen tekoälyn perusoperaation.
Tutkimusryhmän kehittämässä ratkaisussa käytettiin spintronisia rakenteita, jotka sisältävät mikroskaalan magneettista materiaalia. Rakenne pystyy muistamaan väliarvoja välillä 0 ja 1 toimien analogisessa muodossa ja suorittaa oppimistoiminnon, jollaisen synapsit tekevät aivoissa.
Spintroniikkaa piuhaan
Spintroniikkaa voi myös hyödyntää ihan tavallisessa metallijohdossa.
Kuopiolainen Spindeco Technologies Oy kertoi alkuvuodesta kehittäneensä teknologian, joka perustuu johtavuuselektronien polarisaatioon. Johtavuuselektronien spinien osittainen yhdensuuntaaminen vähentää häviöitä johtimissa ja laitteissa.
Teknologian ansiosta energiaa kuluu vähemmän, laitteiden hyötysuhde paranee ja käyttölämpötila laskee. Signaalijohtimissa kohinatasot laskevat ja signaalitaso paranee.
Spindeco Technologies Oy:n yli kymmenen vuoden tutkimustulosten ansiosta on saatu syntymään johdin, jossa normaalien varauksenkuljettajien seassa on polaroituneita elektroneja. Spinien polarisaation tuottaa grafeenista tai hiilinanoputkista kuparijohtimeen tuotettu pinnoite, joiden rajapinnassa syntyy yhdensuuntaisia spinejä.
Syyskuu 2018