En ingenjör vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science vid University of Texas i Dallas har designat ett nytt datorsystem som enbart är tillverkat av kol som en dag kan ersätta kiseltransistorerna som driver dagens elektroniska enheter.

"Konceptet sammanför ett sortiment av befintliga nanoskalateknologier och kombinerar dem på ett nytt sätt, " sa Dr. Joseph S. Friedman, biträdande professor i el- och datateknik vid UT Dallas som utförde mycket av forskningen medan han var doktorand vid Northwestern University.

Det resulterande förslaget om helt kolspinlogik, publicerad av huvudförfattaren Friedman och flera medarbetare i 5 juni-numret av onlinetidskriften Naturkommunikation , är ett datorsystem som Friedman tror skulle kunna göras mindre än kiseltransistorer, med ökad prestanda.

Dagens elektroniska enheter drivs av transistorer, som är små kiselstrukturer som är beroende av negativt laddade elektroner som rör sig genom kislet, bildar en elektrisk ström. Transistorer beter sig som omkopplare, slå på och av ström.

Förutom att bära en avgift, elektroner har en annan egenskap som kallas spin, som relaterar till deras magnetiska egenskaper. På senare år har ingenjörer har undersökt sätt att utnyttja elektronernas spinnegenskaper för att skapa en ny klass av transistorer och enheter som kallas "spintronics".

Friedmans helt kol, spintronic-omkopplaren fungerar som en logisk grind som förlitar sig på en grundläggande grundsats för elektromagnetik:När en elektrisk ström rör sig genom en tråd, det skapar ett magnetfält som sveper runt tråden. Dessutom, ett magnetfält nära ett tvådimensionellt band av kol – kallat ett grafen-nanorband – påverkar strömmen som flyter genom bandet. I traditionella, kiselbaserade datorer, transistorer kan inte utnyttja detta fenomen. Istället, de är förbundna med varandra med ledningar. Utgången från en transistor är ansluten med en tråd till ingången för nästa transistor, och så vidare på ett övergripande sätt.

I Friedmans spintroniska kretsdesign, elektroner som rör sig genom kolnanorör - i huvudsak små trådar som består av kol - skapar ett magnetfält som påverkar strömflödet i ett närliggande grafennanorband, tillhandahåller kaskadkopplade logiska grindar som inte är fysiskt anslutna.

Eftersom kommunikationen mellan vart och ett av grafennanorbanden sker via en elektromagnetisk våg, i stället för elektronernas fysiska rörelse, Friedman förväntar sig att kommunikationen kommer att gå mycket snabbare, med potential för terahertz klockhastigheter. Dessutom, dessa kolmaterial kan göras mindre än kiselbaserade transistorer, som närmar sig sin storleksgräns på grund av kiselns begränsade materialegenskaper.

"Detta var en stor tvärvetenskaplig samarbetsgruppsinsats, " sade Friedman, "att kombinera mitt kretsförslag med fysikanalys av Jean-Pierre Leburton och Anuj Girdhar vid University of Illinois i Urbana-Champaign; teknisk vägledning från Ryan Gelfand vid University of Central Florida; och systeminsikt från Alan Sahakian, Allen Taflove, Bruce Wessels, Hooman Mohseni och Gokhan Memik på Northwestern."

Medan konceptet fortfarande finns på ritbordet, Friedman sa att arbeta mot en prototyp av helt kol, kaskadspintronic datorsystem kommer att fortsätta i det tvärvetenskapliga NanoSpinCompute forskningslaboratoriet, som han regisserar på UT Dallas.