Компьютерные процессоры будущего будут магнитными

Компьютерные процессоры следующих поколений будут работать, оперируя магнитными свойствами электронов, а не их электрическим зарядом, что позволит сделать их существенно более миниатюрными и снизить энергопотребление, уверены авторы исследования, опубликованного в журнале Nature.

Современные компьютерные микрочипы оперируют информацией с помощью электронов, воздействуя на их перемещения в электрических схемах с помощью электрических полей, которые взаимодействуют с электрическим зарядом элементарных частиц.

Несмотря на то что такая технология давно и успешно используется, многие эксперты сходятся во мнении, что дальнейшая миниатюризация микропроцессоров, а следовательно, и увеличение их производительности едва ли возможны и неизбежно будут сопряжены с резким ростом энергопотребления процессоров.

Происходит это потому, что в микрочипах, единичный элемент которых в настоящее время по размерам едва превышает несколько десятков нанометров, на таких расстояниях начинают наблюдаться квантовые эффекты, в результате которых поведением электронов с помощью электрических полей становится трудно управлять. В частности, электроны начинают самопроизвольно перемещаться через диэлектрические барьеры, для предотвращения чего приходится затрачивать дополнительную энергию.

Физик Рон Янсен и его коллеги из Университета Твенте в Нидерландах показали, что вместо того, чтобы использовать заряд электрона для обработки информации, можно использовать его собственный момент вращения - так называемый спин. Если представить себе электрон как вращающийся волчок, то спином условно можно назвать одно из направлений оси его вращения. Этот спин, в частности, определяет магнитные свойства материалов: если в каком-либо материале спины большинства электронов направлены в одну сторону, то такой материал обладает намагниченностью.

Если же научиться управлять направлением спинов электронов, то этим самым можно кодировать двоичный код, в форме которого информация в настоящее время обрабатывается во всех вычислительных машинах. Этот принцип используется для хранения информации в современных магнитных запоминающих устройствах - так называемых компьютерных жестких дисках. Однако для того, чтобы использовать его в микропроцессорах, необходимо, чтобы электроны с сонаправленными спинами могли коллективно перемещаться.

В традиционных магнитных материалах - металлах - возникающий электрический ток практически мгновенно разрушает упорядоченность спинов, поэтому ученые ищут способы создания электрического тока электронов с сонаправленными спинами в полупроводниках, где "намагниченный" ток может течь на относительно большие расстояния в течение достаточного для работы устройства времени.

Для этого ученым необходимо было каким-либо образом научиться переносить электроны с уже ориентированными спинами из магнитных материалов в полупроводник без потери этой ориентированности. До сих пор на примере кремния это удавалось сделать только при очень низких температурах, которые немыслимы в массовых электронных устройствах, однако Янсен и его коллеги впервые показали, как этот перенос можно осуществить при комнатной температуре.

В своей работе ученые продемонстрировали простое устройство, представляющее собой пластину кремния с нанесенными на нее тремя металлическими электродами. В качестве электродов ученые использовали магнитный материал - сплав железа и никеля, обладающий намагниченностью. При этом электроды были отделены от кремния тонким слоем диэлектрика - оксида алюминия, не проводящего электрический ток.

Толщина этого диэлектрика составила всего один нанометр. По законам классической физики электроны не могут перемещаться в диэлектрике, а потому приложение электрического поля к электродам не должно приводить к возникновению тока через полупроводник. Однако авторы исследования показали, что в данном случае можно использовать квантовый эффект - туннелирование, своего рода телепортацию электронов через слой тонкого диэлектрика при приложении к системе небольшого электрического напряжения.

С помощью такой "телепортации" ученым удалось перенести часть электронов из металла в полупроводник, причем электроны при этом сохраняют взаимно ориентированное состояние спинов, а перенос осуществляется при комнатной температуре.

Для детектирования тока "намагниченных" электронов между двумя электродами ученые использовали третий магнитный электрод, помещенный на пластине между первыми двумя.

Для того чтобы на основании этой разработки создать работающий процессор, ученым осталось научиться изменять спин электронов, уже находящихся в полупроводнике.