Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och Massachusetts Institute of Technology (MIT) har visat ett potentiellt nytt sätt att göra omkopplare inuti en dators processchips, gör det möjligt för dem att använda mindre energi och utstråla mindre värme.

Teamet har utvecklat en praktisk teknik för att kontrollera magnoner, som i huvudsak är vågor som färdas genom magnetiska material och kan bära information. För att använda magnoner för informationsbehandling krävs en omkopplingsmekanism som kan styra överföringen av en magnonsignal genom enheten.

Medan andra labb har skapat system som bär och kontrollerar magnoner, teamets tillvägagångssätt ger två viktiga första:Dess element kan byggas på kisel snarare än exotiska och dyra substrat, som andra tillvägagångssätt har krävt. Den fungerar också effektivt vid rumstemperatur, snarare än att kräva kylning. Av dessa och andra skäl, detta nya tillvägagångssätt kan vara lättare att använda av datortillverkare.

"Det här är en byggsten som kan bana väg för en ny generation av mycket effektiv datorteknik, " sa teammedlemmen Patrick Quarterman, en fysiker vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Andra grupper har skapat och kontrollerat magnoner i material som inte integreras bra med datorchips, medan vår är byggd på kisel. Det är mycket mer lönsamt för industrin."

Magnons, även kallade spinnvågor, skulle utnyttja egenskapen hos elektronspin för att överföra information. En anledning till att datorchips blir så varma är att i en konventionell krets, elektroner färdas från en plats till en annan, och deras rörelse genererar värme. En magnon, dock, rör sig genom en lång sträng av elektroner, som själva inte behöver resa. Istället, varje elektrons spinnriktning – som är lite som en pil som sträcker sig genom axeln på en snurrande topp – påverkar magnetiskt rotationsriktningen för nästa elektron i raden. Att justera spinn för den första elektronen skickar en våg av spinnförändringar som fortplantar sig längs strängen. Eftersom elektronerna själva inte skulle röra sig, mycket mindre värme skulle resultera.

Eftersom elektronsträngen sträcker sig från en plats till en annan, Magnonen kan bära information när den färdas längs strängen. I chips baserade på magnons teknologi, större och mindre våghöjder (amplituder) skulle kunna representera ettor och nollor. Och eftersom våghöjden kan ändras gradvis, en magnon kan representera värden mellan ett och noll, ger den fler möjligheter än en konventionell digital switch har.

Även om dessa fördelar har gjort magnonbaserad informationsbehandling till en lockande idé i teorin, hittills har de flesta av de framgångsrika strukturerna byggts i flera lager av tunna filmer som sitter ovanpå en bas av gadolinium gallium granat, snarare än ovanpå kislet som kommersiella chips är gjorda av. Detta "GGG"-material skulle vara oöverkomligt dyrt att massproducera.

"Det är en rolig fysik lekplats som visar de grundläggande principerna, " Quarterman sa, "men det är inte praktiskt för produktion i industriell skala."

Dock, Yabin Fan och hans kollegor vid MIT använde en kreativ ingenjörsmetod för att skikta de tunna filmerna ovanpå en bas av kisel. Deras mål var att bygga sitt system ovanpå det material som datorindustrin länge varit van vid att arbeta med, därigenom tillåter magnoner att samverka med konventionell datorteknik.

Initialt, deras flerskiktiga skapelse betedde sig inte som förväntat, men forskare vid NCNR använde en teknik som kallas neutronreflektometri för att utforska det magnetiska beteendet i enheten. Neutronerna avslöjade en oväntad men fördelaktig interaktion mellan två av de tunna filmskikten:Beroende på mängden magnetfält som appliceras, materialet ordnar sig på olika sätt som kan representera en strömbrytares "på" eller "av" tillstånd, samt positioner mellan på och av – vilket gör det likt en ventil.

"När du sänker magnetfältet, riktningsväxlarna, sa Fan, en postdoktor vid MIT:s avdelning för elektroteknik. "Datan är mycket tydlig och visade oss vad som hände på olika djup. Det finns en mycket stark koppling mellan lagren."

Magnon-omkopplaren skulle kunna användas i enheter som också gör en annan sorts beräkning. Konventionella digitala omkopplare kan bara finnas i antingen på eller av tillstånd, men eftersom spinnvågens amplitud kan ändras gradvis från liten till stor, det är möjligt att magnoner kan användas i analoga datortillämpningar, där omkopplaren har värden som ligger mellan 0 och 1.

"Det är därför vi anser att det här är mer som en ventil, "Sade Quarterman. "Du kan öppna eller stänga den lite i taget."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.