От электроники к спинтронике. Высокая плотность памяти устройств и низкое энергопотребление
Исследователи из Базельского университета в сотрудничестве с коллегами из Пизы разработали новую концепцию, в которой спин электрона используется для переключения электрического тока. Обе квантовые точки (пунктирные эллипсы) на нанопроволоке настраиваются наномагнитами (коричневые столбики) таким образом, что они пропускают только электроны со спином «вверх». Если ориентация одного из магнитов изменяется, ток подавляется.
Электроны имеют две фундаментальные характеристики (DOF), называемые зарядом и спином. В обычных электронных устройствах для обработки информации с использованием двоичных битов 0 и 1 используется только заряд электрона. Постоянное развитие традиционной электроники в основном зависит от уменьшения размера компонентов (транзисторов, конденсаторов и т. д.), встроенных в интегральные схемы (память с произвольным доступом, микропроцессор и др.).
Проблема заключается в том, что в ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Фактический размер транзистора, помещенного в коммерческий микропроцессор, составляет около 50 нм с длиной затвора 20 нм и узлом 7 нм. Прогресс в электронных устройствах завершится, когда размер узла транзистора достигнет 1 нм. Ниже этого размера процессы изготовления, записи и чтения будут затруднены или невозможны из-за квантового размерного эффекта. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
Одна из перспективных областей применения наноэлектронных устройств следующего поколения – спинтроника. Отличие спинотроники от традиционной электроники заключается в том, что если обычная оперирует электрическими зарядами, то электроника нового поколения использует спины электронов. Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона.
В спинтронных устройствах вычислительные процессы и хранение информации осуществляются по физическим принципам, которые отличаются от традиционной электроники. Согласно принципу Паули, спин электрона на одной и той же орбитали атома может находиться в одном из двух состояний: со спином «вверх» либо со спином «вниз». Спин «вверх» — состояние частицы, в которой ориентация спина имеет одинаковое направление с осью квантования магнитного материала. Спин «вниз» — состояние частицы, в котором спиновый вектор направлен противоположно данной оси. Таким образом, электрон может выступать как природный передатчик двоичной информации. Магнитное поле, или поток свободных электронов, переносящий собственный магнитный момент, меняет поляризацию спинов электронов на внутренних оболочках атомов материала. Так происходит запись отдельных битов информации в магнитном состоянии структуры (1 — большинство электронов со спином «вверх», 0 — большинство электронов со спином «вниз»).
Такому типу записи данных не нужно внешнее питание, поэтому концепция привлекательна для развития твердотельной памяти нового поколения. С прогрессом в области спинтроники появляются новые типы запоминающих и логических устройств: энергонезависимая оперативная память (STT-MRAM), нейроморфные системы и спиновые транзисторы. Они энергонезависимы и работают быстрее традиционных полупроводниковых аналогов. Благодаря возможности масштабирования спинтронных структур размер приборов на их основе может радикально уменьшиться.
В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется. Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
Переход от традиционной электроники к технологии спинтроники открывает возможности для создания устройств с высокой плотностью памяти, низким энергопотреблением и лучшим быстродействием и при этом, более дешевых и надежных. В спинтронных нейроморфных устройствах предполагается оригинальная организация электронных компонентов при которой процессор и память находятся в одном блоке. Их функциональность выполняет одно и то же спинтронное устройство — искусственный нейрон, что существенно ускоряет процедуру вычислений. В то же время передачу данных между нейронами можно организовать посредством спинтронных структур. Масштабирование спинтронных элементов позволит создать нейроморфную архитектуру, имитирующую биологическую нейронную сеть. Она будет обучаться, распознавать изображения, писать тексты и воспроизводить речь
Источник: Наука и техника
Дата публикации: 16.12.2020