En scanningselektronmikroskopbild ovanifrån av en magnetisk tunnelövergångsenhet. Kredit:K. Hayakawa et al.
Tohoku Universitys forskare har, för första gången, utvecklat tekniken för nanosekundsdrift av den spintronikbaserade probabilistiska biten (p-bit) – kallad "den stackars kvantbiten" (q-bit).
Den bortgångne fysikern R.P. Feynman föreställde sig en probabilistisk dator som kan hantera sannolikheter i stor skala för att möjliggöra effektiv beräkning. "Med spintronics, vår senaste teknik tog det första steget i att förverkliga Feynmans vision, sade Shun Kanai, professor vid Research Institute of Electrical Communication vid Tohoku University och huvudförfattare till studien.
Magnetic tunnel junctions (MTJ) är nyckelkomponenten i icke-flyktigt minne eller MRAM, en massproducerad minnesteknik som använder magnetisering för att lagra information. Där, termiska fluktuationer utgör vanligtvis ett hot mot stabil lagring av information.
P-bitar, å andra sidan, fungerar med dessa termiska fluktuationer i termiskt instabila (stokastiska) MTJ. Tidigare forskningssamarbete mellan Tohoku University och Purdue University visade en spintronikbaserad probabilistisk dator vid rumstemperatur bestående av stokastiska MTJ:er med millisekunder långa avslappningstider.
För att göra sannolikhetsdatorer till en hållbar teknik, det är nödvändigt att utveckla stokastiska MTJ med mycket kortare relaxationstider vilket minskar fluktuationstidsskalan för p-biten. Att göra det skulle effektivt öka beräkningshastigheten/noggrannheten.
Realtidsuppmätt sänd spänningssignal som reflekterar magnetiseringstillståndet såväl som bittillståndet. Avkopplingstid, definieras som en kopplingstid på i genomsnitt över 100 miljoner gånger per sekund, var observerad. Kredit:K. Hayakawa et al.
Tohoku University forskargrupp, bestående av Kanai, professor Hideo Ohno (den nuvarande presidenten för Tohoku University), och professor Shunsuke Fukami, producerade en MTJ-enhet i nanoskala med en magnetisk lättaxel i planet (Fig. 1). Magnetiseringsriktningen uppdateras i genomsnitt var 8:e nanosekund - 100 gånger snabbare än det tidigare världsrekordet (Fig 2).
Gruppen förklarade mekanismen för denna extremt korta avslappningstid genom att använda entropi - en fysisk kvantitet som används för att representera stokasticiteten hos system som tidigare inte hade beaktats för magnetiseringsdynamik. Härleda en universell ekvation som styr entropin i magnetiseringsdynamik, de upptäckte att entropin snabbt ökar i MTJs med en lätt axel i planet med större magnituder av vinkelrät magnetisk anisotropi. Gruppen använde avsiktligt en magnetisk lättaxel i planet för att uppnå kortare avslappningstider.
"Den utvecklade MTJ är kompatibel med nuvarande halvledar-back-end-of-line-processer och visar ett stort löfte för framtida realisering av högpresterande probabilistiska datorer, " tillade Kanai. "Vår teoretiska ram för magnetiseringsdynamik inklusive entropi har också breda vetenskapliga implikationer, slutligen visar potentialen hos spintronics att bidra till diskutabla frågor inom statistisk fysik."
