Datorelektronik krymper till tillräckligt små storlekar för att själva de elektriska strömmarna som ligger till grund för deras funktioner inte längre kan användas för logiska beräkningar på samma sätt som deras större förfäder. En traditionell halvledarbaserad logikgrind som kallas majoritetsgrind, till exempel, matar ut ström för att matcha antingen tillståndet "0" eller "1" som omfattar minst två av dess tre inströmmar (eller motsvarande, tre spänningar). Men hur bygger man en logisk port för enheter som är för små för klassisk fysik?

En nyligen experimentell demonstration, vars resultat publiceras denna vecka i Bokstäver i tillämpad fysik , från AIP Publishing, använder interferens av spin-vågor - synkrona vågor av elektronspin-inriktning som observeras i magnetiska system. Spin-wave majoritets gate prototyp, gjord av Yttrium-järn-granat, kommer ut från ett nytt forskningscenter för samarbete finansierat av den tyska forskningsstiftelsen, heter Spin+X. Arbetet har även stötts av EU inom projektet InSpin och har bedrivits i samarbete med det belgiska forskningsinstitutet IMEC för nanoteknik.

"Mottot för forskningscentret Spin+X är "snurr i sin kollektiva miljö, ' så det syftar i grunden till att undersöka vilken typ av interaktion mellan spinn som helst - med ljus och materia och elektroner och så vidare, sa Tobias Fischer, doktorand vid universitetet i Kaiserslautern i Tyskland, och huvudförfattare till tidningen. "Mer eller mindre huvudbilden vi siktar på är att använda spin-vågor i informationsbehandling. Spin-vågor är de fundamentala excitationerna av magnetiska material."

Så istället för att använda klassiska elektriska strömmar eller spänningar för att skicka ingångsinformation till en logisk grind, det Kaiserslautern-baserade internationella teamet använder vibrationer i ett magnetiskt materials kollektiva spinn – i huvudsak skapar nanoskala vågor av magnetisering som sedan kan störa för att producera booleska beräkningar.

"Du har atomiska magnetiska moment i ditt magnetiska material som interagerar med varandra och på grund av denna interaktion, det finns vågliknande excitationer som kan fortplanta sig i magnetiska material, ", sade Fischer. "Den speciella enheten vi undersökte är baserad på interferensen av dessa vågor. Om du använder vågexcitationer istället för strömmar [...] så kan du använda dig av våginterferens, och det kommer med vissa fördelar."

Att använda våginterferens för att producera majoritetsgrindens utgång ger två parametrar att använda för att kontrollera information:vågens amplitud, och fas. I princip, det gör detta koncept mer effektivt eftersom en majoritetsgrind kan ersätta upp till 10 transistorer i moderna elektroniska enheter.

"Enheten vi undersökte består av tre ingångar där vi exciterar vågor och de kombinerar, " sa Fischer. "Beroende på ingångsfaserna där du kodar informationen, som bestämmer fasen för utsignalen, därav, definierar det logiska utgångstillståndet '0' eller '1'. Det är faktiskt informationsbehandling och det är vad vi vill ha."

Denna första enhetsprototyp, även om det är fysiskt större än vad Fischer och hans kollegor ser för eventuell storskalig användning, visar tydligt tillämpbarheten av spin-vågsfenomen för tillförlitlig informationsbehandling vid GHz-frekvenser.

Eftersom våglängderna för dessa spinnvågor lätt reduceras till nanoskala, så också (även om det kanske inte är lika lätt) kan själva grindenheten vara. Att göra det kan faktiskt förbättra funktionaliteten, minska dess känslighet för oönskade fältfluktuationer. Förutom, nano-skalning kommer att öka spin-wave-hastigheterna som möjliggör en ökning av beräkningshastigheten.

"Vad vi strävar efter är miniatyriseringen av enheten, och ju mindre du gör enheten, desto mindre känslig blir den för dessa influenser, " Sa Fischer. "Om du tittar på hur många våglängder som passar in i denna utbredningslängd, ju färre det finns, desto mindre inflytande har en förändring av våglängden på utgången. Så att i princip nedskala enheten skulle också ge fler fördelar."

Vidare, ungefär som antenner, en enda enhet kan användas på flera frekvenser samtidigt. Detta kommer att möjliggöra parallell beräkning med samma "kärna" som en framtida spin-wave-processor.

"En av mina kollegor i Kaiserslautern är i spin-wave multiplexing och de-multiplexing, " Sa Fischer. "Vi går också i den riktningen, att använda flera frekvenser och det skulle vara en bra komplimang [...] till denna majoritetsport."