Forskare vid Far Eastern Federal University (FEFU, Vladivostok, Ryssland) har tillsammans med kollegor från den kinesiska vetenskapsakademin (Peking) designat en platina-kobolt-magnesiumoxid-mikrostruktur belagd med platina som är kapabel att fungera i trevärdigt logiskt läge (sant/falskt/vet ej). Det banar väg för att bygga nya elektroniska och spintroniska enheter, qutrit kvantprocessorer (tre positioner istället för två av qubits), och neuromorfa system som imiterar mänsklig hjärnaktivitet. En relaterad artikel publiceras i Fysisk granskning tillämpas .

Samtida datorprocessorer förbrukar mycket energi, representerar olika fack med minnesceller, och deras effektivitet begränsas av tvåvärdig logik (sant/falskt). Dessa tre hinder bromsar vidare utveckling av datorenheter på vägen mot miniatyrisering och snabb prestanda.

Inom ett gemensamt projekt av den ryska stiftelsen för grundforskning (RFBR) och den kinesiska vetenskapsakademin, forskare från Institutionen för naturvetenskap, FEFU, utvecklat en korsformad mikrostruktur bestående av nanometerlager av platina, kobolt (bara 0,8 nm), magnesiumoxid, och ett beläggningsskikt av platina.

Strukturen kan vara en enda plattform som fungerar samtidigt som en processor och ett minneschip. Den här funktionen kan bidra till miniatyrisering av enheter implementerade på plattformen. Det skulle kunna tillämpas i elektroniska och spintroniska enheter som arbetar på logiken med tre värden, inklusive qutrit kvantprocessorer (tre-nivå system istället för två-nivå qubits), och neuromorfa system som efterliknar funktionaliteten hos den mänskliga hjärnan.

"På grund av en viss sekvens av lager och byte av elektronsnurrarna i det nedre platinalagret, vi kan effektivt kontrollera tre magnetiska tillstånd i koboltlagret. Dessa tillstånd motsvarar av de trevärdiga logikmoderna som är -1, 1 och 0 eller sant, falsk, vet inte, i termer av reguljärt språk. Trevärdig logik (Aristoteles logik) är vida överlägsen binär, Boolesk logik (0/1). Dess principer lägger grunden för intelligenta datorer i en nära framtid. Dessa nya enheter kommer att ha högre prestanda, längre livslängd, och lägre energiförbrukning jämfört med enheter som bygger på andra principer, sa Alexander Samardak, projektledare från den ryska sidan, docent i datasystem vid FEFU School of Natural Sciences.

För att få spinnströmmen och påverka koboltlagret, forskarna applicerade två korsströmmar och ett magnetfält i planet för att skifta magnetisk symmetri. På samma gång, de inducerade en kortimpulsström som passerade genom det nedre lagret av platina. Som ett resultat, spinn av elektroner med olika polaritet (orienterade "upp" och "ner", " motsvarande lägena 1 och 0) vänd till motsatta ytor av platinaskiktet, producerar en ren spinnström som påverkade spinnen av elektronerna i det magnetiska lagret. Under vissa förutsättningar, spinn av koboltskiktet byttes. Det innebar att cellen bytte från 0 till 1 i analogi.

På grund av strömpulser, som fördes genom två andra ortogonalt (vinkelrätt) placerade kontakter, det var möjligt att kontrollera olika magnetiska tillstånd i koboltlagret, sålunda implementerar olika tillstånd av den trevärdiga logiken. Det visade sig att sådana ortogonala strömmar kan vara lägre, och det fanns en möjlighet att kontrollera andra mellanliggande stabila magnetiska tillstånd i den skiktade strukturen, vilket är viktigt för utvecklingen av neuromorfa enheter. Dessutom, sådana logiska operationer som OCH, ELLER, NOT-AND och NOT-OR kan anropas i strukturen med hjälp av en viss sekvens av korsströmmar. Det är ett mer sofistikerat och elegant tillvägagångssätt än en uppsättning halvledargrindar (transistorer, motstånd, dioder) som används för närvarande.

Alexander Samardak förklarade att i forskningsdokumentet, forskarna angav bara toppen av isberget, och ytterligare forskning krävs för att uppnå verkliga spintroniska enheter och neuromorfa system som fungerar på trevärdig logik.

Först, det är nödvändigt att bli av med det konstanta magnetfältet som appliceras för att byta magnetisk symmetri. För det andra, det är nödvändigt att minska cellstorleken till 100-200 nm för att implementera en hög densitet av elementen på chipet. För det tredje, det är nödvändigt att leverera en noggrann avläsning av olika tillstånd i det magnetiska lagret, vilket kräver mycket känsliga sensorer baserat på effekten av tunnelmagnetoresistans.

Forskarna noterar att den första datorn baserad på trevärdeslogik utvecklades i Sovjetunionen i början av 1960-talet. En vetenskaplig grupp ledd av professor N. P. Brusentsov (Lomonosov Moscow State University) genomförde projektet som heter Setun. Dock, Setun var inte allmänt erkänd, trots ett antal av dess fördelar jämfört med binära logikstyrda maskiner.

De senaste åtta åren, forskare från FEFUs laboratorium för filmteknologi har samarbetat med kollegor från den kinesiska vetenskapsakademin, ledare inom området produktion och studier av tunnfilmssystem för spintronik. Under denna tid, de har utvecklat flera gemensamma projekt om magnetiska sensorer och spinnsystem i nanoskala.