MIT-forskare har utarbetat en ny kretsdesign som möjliggör exakt styrning av beräkningar med magnetiska vågor - utan elektricitet som behövs. Framstegen tar ett steg mot praktiska magnetbaserade enheter, som har potential att beräkna mycket mer effektivt än elektronik.

Klassiska datorer är beroende av enorma mängder elektricitet för datorer och datalagring, och genererar mycket spillvärme. På jakt efter effektivare alternativ, forskare har börjat designa magnetbaserade "spintroniska" enheter, som använder relativt lite el och genererar praktiskt taget ingen värme.

Spintroniska enheter utnyttjar "snurrvågen" - en kvantegenskap hos elektroner - i magnetiska material med en gitterstruktur. Detta tillvägagångssätt involverar modulering av spinnvågsegenskaperna för att producera någon mätbar utsignal som kan korreleras med beräkning. Tills nu, modulering av spinnvågor har krävt injicerade elektriska strömmar med skrymmande komponenter som kan orsaka signalbrus och effektivt upphäva alla inneboende prestandavinster.

MIT-forskarna utvecklade en kretsarkitektur som bara använder en nanometer bred domänvägg i skiktade nanofilmer av magnetiskt material för att modulera en passerande spinnvåg, utan några extra komponenter eller elektrisk ström. I tur och ordning, spinnvågen kan ställas in för att styra väggens placering, efter behov. Detta ger exakt kontroll av två växlande spinnvågstillstånd, som motsvarar 1:orna och 0:orna som används i klassisk datoranvändning.

I framtiden, par av spinnvågor kan matas in i kretsen genom dubbla kanaler, modulerad för olika egenskaper, och kombineras för att generera viss mätbar kvantinterferens - liknande hur fotonvågsinterferens används för kvantberäkning. Forskare antar att sådana interferensbaserade spintroniska enheter, som kvantdatorer, kan utföra mycket komplexa uppgifter som konventionella datorer kämpar med.

"Människor börjar leta efter datorer bortom kisel. Wave computing är ett lovande alternativ, " säger Luqiao Liu, professor vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och huvudforskare för Spintronic Material and Device Group i Research Laboratory of Electronics. "Genom att använda den här smala domänväggen, vi kan modulera spinnvågen och skapa dessa två separata tillstånd, utan några egentliga energikostnader. Vi litar bara på spinnvågor och inneboende magnetiskt material."

Följer med Liu på journalen Vetenskap papper är Jiahao Han, Pengxiang Zhang, och Justin T. Hou, tre doktorander i Spintronic Material and Device Group; och EECS postdoc Saima A. Siddiqui.

Vändande magnoner

Spin-vågor är krusningar av energi med små våglängder. Bitar av spinnvågen, som i huvudsak är det samlade spinnet av många elektroner, kallas magnoner. Även om magnoner inte är riktiga partiklar, som enskilda elektroner, de kan mätas på liknande sätt för datortillämpningar.

I sitt arbete, forskarna använde en skräddarsydd "magnetisk domänvägg, " en nanometerstor barriär mellan två intilliggande magnetiska strukturer. De skiktade ett mönster av kobolt/nickel nanofilmer - var och en några atomer tjocka - med vissa önskvärda magnetiska egenskaper som kan hantera en hög volym av spinnvågor. Sedan placerade de väggen i mitten av ett magnetiskt material med en speciell gitterstruktur, och införlivade systemet i en krets.

På ena sidan av kretsen, forskarna exciterade konstanta spinnvågor i materialet. När vågen passerar genom väggen, dess magnoner snurrar omedelbart i motsatt riktning:magnoner i den första regionen snurrar norrut, medan de i den andra regionen – förbi muren – snurrar söderut. Detta orsakar den dramatiska förskjutningen i vågens fas (vinkel) och en liten minskning i magnitud (effekt).

I experiment, forskarna placerade en separat antenn på motsatt sida av kretsen, som upptäcker och sänder en utsignal. Resultaten visade att, i dess utgångstillstånd, fasen för ingångsvågen vände 180 grader. Vågens magnitud – mätt från högsta till lägsta topp – hade också minskat avsevärt.

Lägger till lite vridmoment

Sedan, forskarna upptäckte en ömsesidig interaktion mellan spinnvåg och domänvägg som gjorde det möjligt för dem att effektivt växla mellan två tillstånd. Utan domänväggen, kretsen skulle vara likformigt magnetiserad; med domänväggen, kretsen har en split, modulerad våg.

Genom att kontrollera spinnvågen, de fann att de kunde kontrollera domänväggens position. Detta bygger på ett fenomen som kallas, "snurröverföringsmoment, " vilket är när spinnande elektroner i huvudsak skakar ett magnetiskt material för att vända dess magnetiska orientering.

I forskarnas arbete har de ökade kraften hos injicerade spinnvågor för att inducera ett visst spinn av magnonerna. Detta drar faktiskt väggen mot den förstärkta vågkällan. Genom att göra så, väggen fastnar under antennen – vilket gör den oförmögen att modulera vågor och säkerställer enhetlig magnetisering i detta tillstånd.

Med hjälp av ett speciellt magnetiskt mikroskop, de visade att denna metod orsakar en mikrometerstor förändring i väggen, vilket räcker för att placera den var som helst längs materialblocket. I synnerhet, mekanismen för magnons spin-överföringsmoment föreslogs, men inte visat, några år sedan. "Det fanns goda skäl att tro att detta skulle hända, " säger Liu. "Men våra experiment bevisar vad som faktiskt kommer att hända under dessa förhållanden."

Hela kretsen är som ett vattenrör, säger Liu. Ventilen (domänväggen) styr hur vattnet (snurrvågen) strömmar genom röret (materialet). "Men du kan också tänka dig att göra vattentrycket så högt, den bryter av ventilen och trycker den nedströms, " säger Liu. "Om vi ​​applicerar en tillräckligt stark spinnvåg, vi kan flytta positionen för domänväggen - förutom att den rör sig något uppströms, inte nedströms."

Sådana innovationer skulle kunna möjliggöra praktisk vågbaserad datoranvändning för specifika uppgifter, såsom signalbehandlingstekniken, kallas "snabb Fouriertransform". Nästa, forskarna hoppas kunna bygga en fungerande vågkrets som kan utföra grundläggande beräkningar. Bland annat, de måste optimera material, minska potentiellt signalbrus, och studera vidare hur snabbt de kan växla mellan tillstånd genom att flytta runt domänväggen. "Det är nästa på vår att göra-lista, " säger Liu.