Kohti tehokkaampaa elektroniikkaa

Sveitsin Paul Scherrer Instituutin myonispektroskopiaa käytettiin uuden materiaalin näytteen paikallisten spinmuutosten seuraamiseen valon ja sähkön säteilytyksen alla. Myoni on elektronin kaltainen alkeishiukkanen.

Leedsin yliopiston fyysikkojen johtama ryhmä on tehnyt läpimurron uuden sukupolven elektroniikan kehittämisessä.

Vähemmän virtaa tarvitseva ja vähemmän lämpöä tuottava menetelmä tukeutuu elektronien monimutkaisten kvanttiominaisuuksien - tässä tapauksessa elektronien spintilan - hyödyntäminen.

Fyysikkojen ryhmä on luonut spinkondensaattorin, joka pystyy generoimaan ja ylläpitämään elektronien spintilan tuntien ajan. Aikaisemmat yritykset ovat koskaan pitäneet spintilaa vain sekunnin murto-osan ajan.

Spin-kondensaattori on variaatio elektroniikan kondensaattorista. Sähkövarauksen tapaan spinkondensaattori säilyttää varausta mutta se tallentaa myös elektroniryhmän spintilan eli käytännössä se "jäädyttää" kunkin elektronin spinin tilan.

Kyky vangita spintila avaa mahdollisuuden kehittää uusia laitteita, jotka tallentavat informaatiota niin tehokkaasti, että tallennuslaitteet voivat saada hyvin pieniksi. Vain yhden neliöntuuman mittainen spinkondensaattori voisi tallentaa 100 teratavua dataa.

Tutkimusta ohjannut professori Oscar Cespedes selvittää: "Tämä on pieni, mutta merkittävä läpimurto, josta voi tulla elektroniikan vallankumous, joka perustuu kvanttitekniikan periaatteiden hyödyntämiseen.

"Tällä hetkellä jopa 70 prosenttia sähköisessä laitteessa, kuten tietokoneessa tai matkapuhelimessa, käytetystä energiasta häviää lämpönä, ja se on energia, joka tulee laitteen piirien läpi liikkuvista elektroneista. Se aiheuttaa valtavia tehottomuuksia ja rajoittaa nykyisen tekniikan mahdollisuuksia ja kestävyyttä. Internetin hiilijalanjälki on jo samanlainen kuin lentomatkustuksella ja kasvaa vuosi vuodelta.

"Kvanttiefekteissä, joissa käytetään valoa ja ympäristöystävällisiä elementtejä, lämpöhäviöitä ei voi olla. Se tarkoittaa, että nykyisen tekniikan suorituskykyä voidaan edelleen kehittää tehokkaammalla ja kestävällä tavalla, joka vaatii paljon vähemmän virtaa."

Tohtori Matthew Rogers, yksi kirjoittajista, kommentoi: "Tutkimuksemme osoittavat, että tulevaisuuden laitteiden ei tarvitse tukeutua magneettisiin kiintolevyihin. Sen sijaan niissä voi olla valon operoimat spinkondensaattorit, mikä tekisi niistä erittäin nopeita tai sähkökentällä operoitaessa tekisi ne erittäin energiatehokkaiksi.

"Tämä on jännittävä läpimurto. Kvanttifysiikan soveltaminen elektroniikkaan tuottaa uusia ja uudenlaisia laitteita."

Kvanttiteknologian avulla spinkondensaattorit pystyvät kirjoittamaan ja lukemaan elektronien spintilaan koodattua informaatiota valo- tai sähkökentillä.

Tutkimusryhmä pystyi kehittämään spinkondensaattorin käyttämällä materiaalirajapintaa, joka on valmistettu hiilifullereenistä, mangaanioksidista ja koboltin magneettisesta elektrodista. Nanohiilen ja oksidin välinen rajapinta pystyy vangitsemaan elektronien spintilan.

Tutkijoiden mielestä saavutetut edistysaskeleet voidaan rakentaa laitteisiin, jotka kykenevät pitämään spintilan pidemmänkin aikaa.

Aiheesta aiemmin: Spintronisia kytkentöjä muistitekniikoille