För första gången, forskare har visat ett nytt sätt att utföra funktioner som är väsentliga för framtida beräkningar tre storleksordningar snabbare än nuvarande kommersiella enheter. Teamet som leds av docent Shinobu Ohya skapade en spintronisk halvledarenhet i nanoskala som delvis kan växla mellan specifika magnetiska tillstånd biljoner gånger per sekund (terahertz—THz), långt bortom frekvenserna för enheter för närvarande.

Det finns en stor chans att du har köpt en dator eller smartphone någon gång detta årtionde. När du tittade på beskrivningen, du kanske har märkt att hastigheten på sådana enheter ofta mäts i gigahertz (GHz). För närvarande, de flesta enheter är runt några gigahertz. Men framstegen accelererar, och forskare söker nya sätt att öka frekvensen och prestanda för enheter. För detta ändamål, UTokyo-forskare från Graduate School of Engineering och Graduate School of Frontier Sciences utforskar det framväxande området spintronics.

"Jag hoppas att vår forskning leder till spintronikbaserad logik och minnesenheter, " sade Ohya. "Inom decennier, människor borde se spintronic-smarttelefoner och datacenter. Vi skulle inse otroliga prestandavinster inom områden som artificiell intelligens och vidare."

Spintronics, aka "spinelektronik, " utnyttjar en inneboende egenskap hos elektroner som kallas spin, ansvarig för magnetiskt beteende, att utföra funktioner. Till exempel, beräkning förlitar sig på omkopplingsbara tillstånd för ett fysiskt material som ett sätt att överföra information. Kända, ettorna och nollorna som består av binär kod representeras av spänningsnivåer i kommunikationsledningar eller magnetiska tillstånd hos en magnetisk metall i en hårddisk. Ju snabbare växlingen mellan stater, desto bättre prestanda. I spintroniska enheter, diskreta spinnmagnetiseringstillstånd representerar binära siffror.

Ett sätt som forskare skapar denna egenskap är att bestråla ett speciellt magnetiskt material med korta men högfrekventa pulser av terahertzstrålning, liknande den för kroppsskannrar på flygplatser. Strålningen vänder elektronsnurr i detta material - ferromagnetisk manganarsenid (MnAs) - och därmed dess magnetisering, på under en pikosekund, tre storleksordningar snabbare än transistorer byter i mikrochips. Andra forskare har försökt detta tidigare men den magnetiska förändringen som svar på pulserna var bara 1 procent, för liten för att vara praktiskt användbar.

Nu, dock, Ohya och hans team demonstrerade framgångsrikt en större magnitudförändring i magnetisering av MnAs-nanopartiklar utsatta för terahertz-pulser. Denna högre respons på 20 procent betyder att den kan vara mer användbar i forskning och tips om möjliga framtida tillämpningar. Deras knep var att dra nytta av den elektriska komponenten av terahertz elektromagnetisk strålning snarare än den magnetiska komponenten.

"Tills nu har forskare inom detta område använt ferromagnetiska metallfilmer för att studera terahertzmodulering av magnetisering, men dessa hindrade strålningens energi, ", sa Ohya. "Istället bäddade vi in ​​våra ferromagnetiska nanopartiklar i en halvledarfilm 100 nanometer tjock. Detta hindrar strålningen mycket mindre så det elektriska terahertzfältet når och vänder snurrarna jämnt, och därför magnetisering, av nanopartiklarna."