Исследователям удалось впервые в истории найти способ организации электронов в устойчивые последовательные группы, создав так называемую спираль спинов. Источник: IBM Research — Zurich
Исследователям удалось впервые в истории найти способ организации электронов в устойчивые последовательные группы, создав так называемую спираль спинов. Источник: IBM Research — Zurich

Спинтроника изучает возможность использования спинов электронов в магнитном поле в сочетании со специальными головками чтения/записи для считывания или записи битов данных на полупроводниковом материале.

Ученые предполагают кодировать биты данных посредством ориентации оси электрона. Ориентация в данном случае понимается применительно к физическим свойствам того пространства, в котором существует электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, можно принять за единицу, электрон, ось которого направлена условно вниз, — за ноль.

Основным препятствием для практического использования спинтроники служит длительность периода сохранения ориентации оси — она составляет около 100 пикосекунд. (Пикосекунда — одна триллионная секунды. — Прим. ред.) Сотня пикосекунд меньше продолжительности компьютерного цикла, то есть данные изменяются в пределах одного цикла.

В статье, опубликованной группой ученых, представляющих IBM Research и лабораторию физики твердого тела Высшей политехнической школы в Цюрихе, утверждается, что ими найден способ синхронизировать электроны, так что время сохранения спинов увеличивается в 30 раз, до 1,1 наносекунд, что соответствует длительности одного цикла процессора с частотой 1 ГГц.

Ученые IBM применили ультракороткие лазерные импульсы для мониторинга изменения спинов тысяч электронов, созданных ими одновременно в сверхограниченном пространстве, пояснил один из соавторов статьи, Гуан Салис, работающий в группе физики наносистем IBM Research.

Группе ученых, представляющих IBM Research и лабораторию физики твердого тела Высшей политехнической школы в Цюрихе, удалось найти способ синхронизировать электроны, увеличив время сохранения спинов в 30 раз. Источник: IBM Research — Zurich
Группе ученых, представляющих IBM Research и лабораторию физики твердого тела Высшей политехнической школы в Цюрихе, удалось найти способ синхронизировать электроны, увеличив время сохранения спинов в 30 раз. Источник: IBM Research — Zurich

В обычном состоянии электроны вращаются случайным образом и быстро теряют ориентацию. Исследователям удалось впервые в истории найти способ организации их в устойчивые последовательные группы, создав так называемую спираль спинов.

Идея фиксации спинов была предложена в качестве теоретической возможности еще в 2003 году. С тех пор многочисленные эксперименты подтверждали, что подобная организация возможна, но до сих пор этот процесс не наблюдался непосредственно.

«Изменения спинов происходили совершенно некоррелируемым образом, — пояснил Салис. — Теперь мы можем синхронизировать вращение электронов так, что они не только не теряют спин, но и вращаются в одном направлении, как будто в танце».

«Мы достигли понимания процесса и доказали правильность теории», — добавил он.

В качестве основного полупроводникового материала исследователи IBM применяли в своих экспериментах арсенид галлия - материал, широко используемый в современной электронике, диодах и солнечных элементах.

Основным способом кодирования информации для записи на носители данных в современных компьютерных технологиях является использование заряда электрона. Эта технология приближается к пределу своих возможностей, поскольку размеры полупроводников становятся столь малы, что теряется контроль за электронами.

Так, например, норма проектирования микросхем флэш-памяти NAND меньше 20 нм, что сравнимо с размерами атома. Спинтроника сулит широкие возможности для совершенствования носителей информации за счет использования спинов электронов, а не их зарядов.

Полученные результаты в области спинтроники не только могут предоставить ученым контроль за изменением магнитных характеристик внутри устройств, но и позволят создавать значительно более энергоэффективные устройства.

IBM не одинока в своем стремлении использовать спинтронику в компьютерных технологиях.

Так, исследователи из Института химии и физики материалов в Страсбурге (Франция) создали новую лазерную технологию, которая теперь лежит в основе спинтроники. За это достижение в 2007 году они были удостоены Нобелевской премии.

Тогда удалось найти способ использовать лазеры для ускорения чтения/записи данных на жесткий диск до 100 тыс. раз.

Задача, решенная с применением спинтроники, состояла в том, чтобы замедлить быстродействие магнитных датчиков, служащих для распознавания битов данных. Тогда группа ученых использовала лазер, действующий в диапазоне фемтосекунд, генерирующий сверхвысокочастотные импульсы для изменения спинов электронов, что позволяло ускорить процесс чтения/записи.

IBM заявила, что достигнутые ею результаты открывают дорогу к созданию транзисторов и энергонезависимых носителей данных, которые могли бы потреблять гораздо меньше энергии, чем сегодняшние NAND-технологии.

Но главной проблемой, которую придется решить на пути к созданию таких устройств, является то, что полученные результаты невозможно получить при комнатной температуре, при которой фактически работают процессоры или запоминающие устройства. Сейчас эксперименты проводятся при сверхнизких температурах, около -233 °С.

«Пока нет даже близких перспектив практического применения результатов, важность нашего достижения состоит лишь в том, что мы знаем, как добиться большей продолжительности сохранения спина электрона, — пояснил Салис. — На следующем этапе мы будем добиваться увеличения этого периода в 30 раз».