Spintronika. Czym jest i dlaczego powinna cię kręcić?

Miniaturyzacja tradycyjnej elektroniki ma swoją granicę. Za tą granicą czeka na nas spintronika. Procesory przyspieszą, poprawią wydajność i wstąpią na drogę energetycznej ascezy

Tylko kiedy?

- Spintronika już ma wpływ na przechowywanie danych. Współczesne dyski twarde działają w oparciu o nią i dlatego są takie pojemne - mówi magazynowi Next prof. Philippe R.J. Jacquod z Uniwersytetu Arizony w Tuscon (USA).

- Ale kiedy będziemy używali mikroprocesorów i pamięci RAM opartych o zasady spintroniki, to już inna kwestia - dodaje natychmiast. - Słyszeliśmy już zapowiedzi, że stanie się to lada chwila. Ze sporym prawdopodobieństwem w ciągu pięciu lat możemy się spodziewać przełomu. Nie założyłbym się jednak o duże pieniądze, że to się uda.

Zespół prof. Jacquoda odkrył niedawno nową metodę sprawdzania, w którą stronę kręci się elektron. Bo tak obrazowo można opisać magnetyczną własność, którą fizycy nazywają spinem. Dzięki wykorzystaniu spinu, jeden elektron jest wart tyle, co cały tranzystor.

Wszystkie grzechy tranzystorów

Tranzystor to epokowy wynalazek. Wymyślono go jeszcze w latach 20. ubiegłego wieku, a skonstruowano ponad 60 lat temu. Umożliwił powstanie komputerów w obecnej postaci. Półprzewodnikowy tranzystor pozwala na dwie rzeczy: dla przepływającego prądu działa jak wzmacniacz (w tradycyjnej telefonii, w miniaturowych odbiornikach radiowych, którymi świat podbiła firma Sony, i konsekwentnie w kolejnych dziedzinach telekomunikacji) oraz jako przełącznik - zamieniający "zera" na "jedynki" i odwrotnie. Dzięki tej drugiej cesze tranzystory stały się nowym budulcem bramek logicznych. Zastąpiły zawodne lampy próżniowe, stosowane w komputerach pierwszej generacji.


Przeczytaj też: Prawo Moore'a. Samospełniająca się przepowiednia?

Wraz z opracowaniem układu scalonego złożonego z wielu tranzystorów, ruszyła machina miniaturyzacji. Dziś jest to już miliard tranzystorów upchniętych na powierzchni paznokcia. Nowe technologie pozwalają skutecznie drukować na waflu krzemowym tranzystory o rozmiarach kilku nanometrów, skutecznie je chłodzić i wypuszczać na rynek po w miarę rozsądnych cenach. Nie można ich jednak zmniejszać w nieskończoność - miniaturyzacja tradycyjnej elektroniki ma swoje granice. Półwiecze niesłychanego postępu w rytmie wyznaczonym przez słynne Prawo Moore'a dobiega końca.

Mimo przewag nad lampami próżniowymi, tranzystory dzielą z nimi wady. Żeby działać, potrzebują nieprzerwanego zasilania. I się grzeją. W obu przypadkach, słynne komputerowe ciągi jedynek i zer, to impulsy prądu elektrycznego (i przerwy między nimi). Kiedyś do zasilania maszyny liczącej trzeba było zbudować małą elektrownię, dziś niby potężniejsze od tamtych komputery kryją się w telefonie komórkowym. Ale równocześnie - coraz intensywniej korzystamy z internetowych usług, za którymi stoją hangary pełne komputerów. A te dla nas liczą, liczą i liczą - pochłaniając wcale sporo energii i emitując wcale sporo ciepła.

fot. U. Pittsburgh
Atomy. Ostateczna granica. Zielone przewody to tranzystor działający na pojedynczych elektronach / Rys. U. Pittsburgh

Kiedyś rewolucję w architekturze komputerów zrobi tzw. komputer kwantowy. Zerwie z ograniczeniami zapisu zero-jedynkowego i trwające dziś niesłychanie długo obliczenia będzie mógł wykonać błyskawicznie. Zanim jednak ujrzymy świt ery komputerów kwantowych, pamięci i procesory oparte na spinie elektronów odeślą do lamusa współczesną elektronikę.

Szybsze, mniejsze i skrajnie energooszczędne?

Jak to możliwe, że spinowa elektronika przeskoczy problemy tranzystorów? Pojedynczy elektron może przechowywać informację właśnie dzięki swoim własnościom magnetycznym. Z jednym "zerem" (lub "jedynką") na karku poradzi sobie sam, zastępując całą rzekę elektronów przepływającą przez tradycyjny tranzystor. Dzisiejsze "zero" oznacza bowiem "bardzo mało elektronów", a "jedynka" to "bardzo dużo elektronów".

Spintronika zrywa z używaniem ładunku elektronów jako nośnika informacji. Oparte na spinie urządzenia nie będą wymagać stałego przepływu prądu do podtrzymania danych, na których pracujemy. Skończą się dramaty związane z niespodziewanym odcięciem zasilania i wyczyszczeniem owoców pracy z pamięci operacyjnej. To oznacza spore oszczędności energii - na zasilanie komputera i jego chłodzenie.

Będzie to możliwe po opracowaniu nowych materiałów i technologii produkcji, ale zręby architektury spintronicznej będą znajome - obwody scalone pełne bramek logicznych. Nowością będzie plastyczność spinowej elektroniki, bo procesor będzie można przeprogramowywać również na poziomie obwodów drukowanych dzisiaj raz na zawsze.

Nowa architektura ma również szansę na znaczne przyspieszenie obliczeń. A przede wszystkim - na miniaturyzacyjny skok daleko poza fizyczne ograniczenia tranzystorów krzemowych.

Taki skok - z imponujących przecież współczesnych architektur kilkunanometrowych - jest dość oczywisty. Elektrony są znacznie mniejsze.

- Elektrony są najmniejszymi magnesikami, jakie można sobie wyobrazić - tłumaczy prof. Jacquod. I podkreśla, że oznacza to dla inżynierów mnóstwo wyzwań. Już przy budowie kości pamięci problemem jest, jak operować danymi zapisanymi tak "drobnym maczkiem". Gdy pytam, co jego zdaniem jest dziś najważniejszym zadaniem spintroników, nie ma wątpliwości.

- Stworzyć naprawdę tanie, małe i działające pamięci RAM. Głównym problemem jest odpowiedź na pytanie, jak manipulować spinem (momentem magnetycznym) elektronów, kontrolować go i mierzyć - mówi. - To nie jest takie łatwe zadanie, a często próba zmierzenia tak małego obiektu oznacza zepsucie wszystkiego - można całkowicie zmienić sygnał, zanim go jeszcze zdążymy zmierzyć, więc uzyskany wynik jest niewiarygodny - dodaje.

fot. Stefan Krause,University of Hamburg / Science
Schemat działania pamięci magnetycznej / Rys. Stefan Krause, University of Hamburg / Science

Badania zespołu prof. Jacquoda ogłoszone tego lata na łamach "Physical Review Letters" dowodzą, że można skutecznie odczytać spin elektronu, bez wątpliwości, że odczyt wywołał jakieś zakłócenia. Wykorzystują też technologię, która jest już dostępna.

- W naszej pracy pokazaliśmy jak mierzyć spin elektronu za pomocą dostatecznie słabego pola magnetycznego. Jesteśmy więc pewni, że nie modyfikujemy sygnału, który chcemy tylko odczytać - wyjaśnia magazynowi Next.

I oczywiście jest jeszcze grafen...

Prace nad kośćmi pamięci trwają w wielu ośrodkach - komercyjnych i akademickich. Wiele urządzeń jest już na rynku, jednak tradycyjne rozwiązania wciąż są wydajniejsze. Tymczasem to procesory są kluczem do sukcesu, a tu postęp jest wolniejszy.

- Procesor jest wciąż wąskim gardłem - przyznaje profesor. - Najpewniej mikroprocesory będą mutować, uzupełniane po kawałku o rozwiązania spintroniczne, nim staną się urządzeniami w pełni na nich opartymi.

Naukowiec z Tuscon podkreśla, że jest parę obiecujących dróg "na skróty", dzięki którym odczytywanie i zapisywanie informacji za pomocą spinu elektronów może okazać się łatwiejsze.

- Na przykład odkrywamy nowe materiały, nazywane izolatorami topologicznymi, w których ruch elektronu i jego spin są mocno powiązane. To być może szansa na radykalne uproszczenie problemów z mierzeniem spinu i manipulowaniem nim w nanoskali. W swoim laboratorium badam, jak budować urządzenia oparte na takich materiałach - opowiada. - Badam również struktury hybrydowe zbudowane z metalu stykającego się z nadprzewodnikiem. Nadprzewodnictwo często pomaga we wzmacnianiu interesujących nas zjawisk kwantowych, więc może pozwoli również wzmocnić zjawiska związane ze spinem elektronów.

Jednym z bardziej obiecujących materiałów jest też słynny grafen, czyli pojedyncze warstwy grafitu, które dzięki grubości jednego atomu osiągają niezwykłe właściwości. Elektrony przepływając po grafenie mogą go magnetyzować, więc nie wiadomo, czy to nie atom węgla będzie ważniejszym nośnikiem informacji w komputerach spinowych, niż sam elektron.

Grafen (za badania nad którym przyznano ostatnią Nagrodę Nobla z fizyki) może okazać się kluczem do przekształcania informacji z tradycyjnych układów bazujących na przepływie ładunków na postać związaną z magnetyzmem. W kwietniu poświęconą tej technice pracę zespołu z Uniwersytetu Manchesterskiego opublikował prestiżowy magazyn "Science".

A gdy spintronika troszkę już nam spowszednieje, "banalny" zero-jedynkowy bit odziedziczony po tranzystorach ustąpi szalonemu kubitowi, który równocześnie przyjmuje wartość 0 i 1. Tak właśnie - na bazie spintroniki - powstaną słynne arcypotężne komputery kwantowe.

I już nic nie będzie takie jak dawniej.

Zobacz także:

fot. D-Wave Inc
Czym jest komputer kwantowy? - dla magazynu Next pisze Piotr Cieśliński


Łukasz Partyka jest dziennikarzem naukowym i gospodarczym. Publikował m.in. w "Gazecie Wyborczej", Gazecie.pl, "Wiedzy i Życiu". Pisze doktorat z ekonomii w Szkole Głównej Handlowej w Warszawie. Uważa, że Mars powinien zostać skolonizowany.


Więcej o: