NIST har beviljats ​​patent på teknik som kan påskynda tillkomsten av en efterlängtad ny generation högpresterande, lågenergidatorer.

Konventionella mikroelektroniska enheter, för det mesta, arbete genom att manipulera och lagra elektriska laddningar i halvledartransistorer och kondensatorer. Att göra det kräver mycket energi och genererar mycket värme, särskilt som processingenjörer fortsätter att hitta sätt att packa fler och mindre funktioner i integrerade kretsar. Strömförbrukning har blivit ett av de främsta hindren för mycket högre prestanda.

Ett mycket lovande alternativt tillvägagångssätt, kallas "spintronics, "använder elektronens kvantspinn för att hålla information utöver laddningen. De två olika centrifugeringsorienteringarna (typiskt betecknade" upp "och" ned ") är analoga med positiva och negativa elektriska laddningar i konventionell elektronik. Eftersom förändring av en elektrons spinn kräver väldigt lite energi och kan ske väldigt snabbt, spintronics ger möjlighet till betydande energireduktion.

"Vår uppfinning, "säger uppfinnaren Curt Richter från NIST:s Engineering Physics Division, "är utformad för att tillhandahålla en nyckelkomponent i spintroniska system. Det är en mycket enkel, grundläggande byggsten som kan användas på en mängd olika sätt. Det kan fungera som en av / på-omkopplare för spinnströmmar, som en sammankoppling mellan olika spintronic -komponenter, och som ett gränssnitt mellan magnetiska och elektroniska funktioner för att realisera multifunktionella enheter. "

Spinn är det som gör magnetiska saker magnetiska:Varje elektron beter sig lite som en stångmagnet, med två motsatta poler. Material i vilka de flesta elektronspinn är inriktade i samma riktning (polariserat) producerar ett magnetfält med samma orientering. Elektroner med samma snurrriktning som materialet passerar lätt genom det; elektroner med motsatt inriktning blockeras.

Denna egenskap har utnyttjats för att göra mikroskopiska "spinnventiler" - vanligtvis en kanal med ett magnetiskt lager i varje ände. Den relativa polariteten för de två magneterna slår på eller av ventilen:Om båda magneterna har samma inriktning, den spin-polariserade strömmen passerar genom kanalen. Om magneterna har motsatt inriktning, strömmen kan inte flöda.

Enheten "kopplas" genom att vända en magnets polaritet, vilket görs genom att applicera en tillräcklig ström av elektroner med motsatt snurr. Dock, att vända magnetens polaritet tar mer energi än forskare föredrar.

"Typiskt med spinnventiler, "Säger Richter." Du måste flöda en betydande mängd spinnström för att vända komponenten. Större strömmar betyder att du använder mer energi och genererar mer värme. Vår uppfinning minskar båda dramatiskt."

I början, forskarna hade inte för avsikt att göra en enhet eller skaffa patent. De arbetade inte ens direkt med spinntransport. De studerade beteendet hos en annan klass av enheter som vanligtvis kallas "memristors" (minnesresistorer), en teknik som knappt är ett decennium gammal men som allmänt kallas en potentiell höghastighet, låg energi baselement för framtida datorer.

Memristorer är skiktade mikrostruktursmörgåsar med en elektrod i toppen och botten, mellan vilka är ett metallskikt (till exempel koppar) som är en bra elektrisk ledare och ett materialskikt (t.ex. vissa oxider) som är en dålig ledare. Denna konfiguration är också den vanligaste strukturen som används i en ny typ av minne som kallas resistive random-access memory (RRAM eller ReRAM). När en spänning appliceras på elektroderna i en riktning, strömmen kan flöda. Omvänd spänning stänger av strömmen.

Forskare tror att orsaken till detta fenomen är att när en förspänning appliceras i en riktning, det gör att metallledarens atomer diffunderar in i och interagerar med oxiden, bildar små metalltrådar som fungerar som kanaler med låg motstånd som tränger igenom det isolerande skiktet. Om spänningen appliceras i motsatt riktning, oxidskiktet är utarmat av metallatomer, och motståndet ökar.

Hur som helst, när förspänningen avlägsnas, oxidens motståndstillstånd är fruset. Eftersom det tillståndet bildades av en specifik förspänning applicerad i en specifik riktning, enheten "kommer ihåg" sitt sista motstånd. Denna egenskap gör memristors attraktiva för användning i "icke-flyktigt" datorminne där den lagrade informationen inte försvinner när strömmen stängs av.

"Så när vi började, det fanns snurrventiler och det fanns memristors, " säger Richter. "Men ingen hade tänkt på att sätta ihop dem. Att vara mätare på NIST, vi tänkte inte ursprungligen på att sätta ihop dem för att hitta på en ny enhet. Vi satte ihop dem så att vi kunde göra mätningar för att bättre förstå hur memristorer fungerar.

"Vi ville undersöka hur den här spänningsomkopplaren slås på och av. Vi tänkte att om vi lade till snurr i analysen, vi skulle kunna få mer inblick i hur en normal memristor fungerar. I processen att göra det, vi gjorde den här enheten och sa 'Hej, det här i sig har mycket intressanta tekniska konsekvenser. ' Det kombinerar det icke-flyktiga minnet i memristors med tekniken för en centrifugeringsventil för att skapa en enhet som låter dig slå på och av en centrifugeringskanal. "

"Det som gör det unikt är att du kan öppna eller stänga en spinnkanal med en elektrisk kontroll, "säger meduppfinnaren Hyuk-Jae Jang." Och så med en liten mängd spänning, vi kan slå på och stänga av spinnströmmen under sub-nanosekundtid utan att behöva vända polariteten hos en snurrventils ferromagnetiska elektrod. Denna drift med hög hastighet och låg strömförbrukning är avgörande för att bygga framtida spintronikbaserad logikteknologi för att ersätta den nuvarande CMOS-baserade elektroniktekniken som används för att tillverka nästan alla integrerade kretsar idag."

NIST-patentet täcker enheter tillverkade av en mängd olika material. Den primära kombinationen som användes i uppfinnarnas experiment var, från botten upp, ett magnetiskt baslager av kobolt som tjänar till att spinnpolarisera elektronerna, ett isolerande lager av tantaloxid, ett lager koppar, och en toppelektrod i legering.

I "på" -konfigurationen, kopparatomerna dras in i oxiden och deras filament sträcker sig hela vägen till baskoboltskiktet. Om spänningen vänds får kopparen att sjunka, och "det finns en tom region i oxidskiktet, ”Säger Richter.” Så fort det händer, strömmen stannar. Det kan bara vara värt några få atomer bort, på grund av det exponentiella avbrottet med avstånd. Det gör det till en mycket lågenergibrytare. "

John Kramar, Tillförordnad chef för NIST:s Engineering Physics Division, kallar verket "en mycket spännande uppfinning som ger en bra lösning för kopplingsenergiproblemet för spinnventiler. Det tar bort en betydande teknisk barriär för spintronik för att bli en stark utmanare för mikroelektronik utanför CMOS."