Kvanttimateriaaleja puolijohteiden tilalle

MESO-piirit, jotka perustuvat magnetosähköisiin ja spin-orbit -materiaaleihin, voivat jonain päivänä korvata nykyiset CMOS-piirit. MESO hyödyntää multiferroisien materiaalien spinien suuntia binääritietojen tallentamiseksi ja loogisten toimintojen suorittamiseksi. (Intel graphic)

Intelin ja Kalifornian Berkeleyn yliopiston tutkijat etsivät yhdessä nykyisen transistoritekniikan korvaajaa ja valmistavat tietä uudenlaisille sähköisesti ohjattaville muisti- ja logiikkapiirille.

Nykytekniikan korvaajiksi he ehdottavat uudentyyppisiä materiaaleja, multiferroisien ja topologisien materiaalien koosteista. Niillä saavutettaisiin 10 - 100 kertaa energiatehokkaampi piiritekniikka kuin CMOS:lla.

Kyseessä on spintroninen logiikkarakenne, joka toimii magnetosähköisen vaihtokytkennän ja spin-orbit -toimisella tilan havainnoinnilla. Lisäksi sen haihtumattomuus mahdollistaa erittäin alhaisen tehonkulutuksen valmiustilan.

Magneettissähköiset spin-kiertorata- tai (magneto-electric spin-orbit) MESO-piirirakenteet toisivat myös viisi kertaa enemmän logiikkaoperaatioita samaan tilaan kuin CMOS. MESO-piireissä, binääribittejä edustavat ylös- ja alassuuntaiset magneettiset spintilat.

Kyseinen materiaali tuli esiin jo vuonna 2001 UC Berkelyn materiaalitieteen ja -tekniikan ja fysiikan professori Ramamoorthy Rameshin tutkimuksissa.

Nyt tutkijat raportoivat, että he ovat vähentäneet multiferroisisessa magneto-sähköiseen kytkentään tarvittavaa jännitettä 3:sta voltista 500 millivolttiin ja ennustavat, että pitäisi olla mahdollista pienentää tätä vielä 100 millivolttiin.

Multiferroiset ovat materiaaleja, joiden atomit osoittavat useampaa kuin yhtä kollektiivista tilaa kuten esimerkiksi kestomagneetit. Toisaalta ferrosähköisissä materiaaleissa atomien positiiviset ja negatiiviset varaukset ovat kompensoivia, muodostaen sähköisiä dipoleita, jotka kohdistuvat koko materiaaliin ja muodostavat pysyvän sähköisen momentin.

MESO tukeutuu moniferroiseen materiaaliin, joka koostuu vismutista, raudasta ja hapesta (BiFeO3), ja on siten sekä magneettista että ferrosähköistä. Sen keskeinen etu on, että nämä kaksi tilaa - magneettiset ja ferrosähköiset ovat toisiinsa sidoksissa, siten että toisen muuttaminen vaikuttaa toiseen. Kun sähkökenttä kääntää dipolisähkökentän läpi materiaalin ja sitä kautta kääntyvät myös magneettikentän tuottavat elektronin spinit.

"Etsimme vallankumouksellisia eikä niinkään evolutionaarisia lähestymistapoja CMOS-aikakauden jättämiseen. MESO rakentuu pienjännitteisten keskinäiskytkentöjen ja magnetosähköisyyden ympärille ja tuo kvanttimateriaalien innovaatiota tietojenkäsittelyyn," toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Uusi materiaali tietotekniikan puolijohdeteollisuudelle

Kvanttimateriaali elektronisille innovaatioille