電荷を超えて：スピンでの計算
最新のコンピューティングは電荷の操作に基づいています。トランジスタ内の電子の有無がすべてのデジタル情報処理の基盤となる1と0をエンコードします。しかし電子は第2の量子特性を持っています：それはスピンで、磁気機械属性として磁場内で「上」または「下」を指す小さな磁石のように振る舞います。スピントロニクスは、電荷と共に、または電荷の代わりに情報キャリアとしてスピンを活用するコンピューティングデバイスを構築することに専念する分野です。
スピントロニクスデバイスはエネルギー効率、速度、不揮発性情報ストレージの点で潜在的な利点を提供します。データを保存し続けるのに継続的な電力を必要としない点が特徴です。ハードドライブのヘッドは既にスピントロニクス効果を活用しており、データ保持とエネルギー効率を優先するアプリケーションでRAM従来型メモリの代替として出現する磁気ランダムアクセスメモリチップも同様です。
研究者は今、実際には利用するには不安定すぎた平衡点での電子スピンを制御する新しい方法を実証しました。これにより、以前のアプローチが利用できなかったスピントロニクスデバイスの構成の新しいクラスが開かれています。
不安定点とその重要性
あらゆる物理系には、競合する力がバランスする平衡位置が存在します。いくつかは安定しています。小さな摂動はボウルボールのように平衡に戻ります。その他は不安定です。小さな摂動がシステムをさらに離す、丘の頂上でバランスしているボール。
磁気システムでは、不安定な平衡点は歴史的にデバイス設計で避けられてきました。信頼できる方法で維持することができないためです。熱ノイズまたは電磁干渉は、スピン状態を近くの安定構成の1つに崩壊させます。情報ストレージと処理の場合、信頼できる方法で維持することができない状態は役に立たません。
研究チームのブレークスルーは、慎重に調整された電気流がこれまで使用不可能だった不安定な平衡点でスピン状態を安定化できることの発見です。電流は継続的なフィードバックメカニズムとして機能し、スピン状態を駆動する変動を修正します。その結果、磁気エネルギーランドスケープの以前はデバイス設計者がアクセスできなかった場所で、制御された安定したスピン状態が生成されます。
有効な新しいアーキテクチャ
不安定な平衡点でスピンを制御・安定化する能力は、スピントロニクスエンジニアが利用できる設計空間を大幅に拡大します。従来のスピントロニクスデバイスは、安定した磁気状態を情報キャリア構成として使用することに限定されています。新しい技術により、デバイスは利用可能なすべてのスピン構成の範囲を中心に設計でき、安定状態デバイスが達成できない極端な入力感度または急速な切り替え特性などの特性を提供する不安定点を含みます。
計算アプリケーションの場合、これは既存のアプローチを補う、または超える特性を備えたスピントロニクスロジックゲートおよびメモリ要素の可能性を開きます。不安定な平衡点近くで動作するデバイスは、極めて小さな入力信号に応答して状態を切り替えることができ、超低消費電力論理操作を可能にする可能性があります。切り替え特性により、このようなデバイスはニューロモルフィックコンピューティングアーキテクチャの候補となります。人工ニューロン動作は従来のバイナリロジックでは許可されるより生物学的な神経ダイナミクスにより近くマッチします。
実用的なデバイスへの道
研究は実装可能な技術ではなく、概念実証のデモンストレーションを表します。実用的なコンピューティングデバイスに進むには、デバイスの再現性、動作温度でのスピン安定化メカニズムの信頼性、および規模で使用される半導体製造プロセスとの統合に関するエンジニアリング課題を解決する必要があります。
これらの課題は現実的ですが、半導体業界が解決した経験を持つエンジニアリング問題の種類です。研究チームが実証した物理学は概念的な基礎を提供します。それを製造可能なデバイスに翻訳することは、より広い研究コミュニティと業界パートナーが追求する必要がある後続段階です。この発見は、従来のシリコントランジスタが一致できない特性を備えた計算要素へのパスを提供する、トポロジカル絶縁体、二次元材料、および現在は電流で安定化されたスピン状態などの成長するポートフォリオに追加されます。
この記事はPhys.orgのレポートに基づいています。元の記事を読む。
