Spintronika pod lupou

Miniaturizace procesorů závisí na využití spinu elektronů Hlavní překážku zrychlování konvenčních procesorů, pra...


Miniaturizace procesorů závisí na využití spinu elektronů
Hlavní překážku zrychlování konvenčních procesorů, pracujících na bázi přenosu
elektrických proudů v polovodičích, představuje zahřívání, které doprovází
zvyšování operačních frekvencí a zmenšování rozměrů čipů. Fyzikální mez
současných technologií je již nebezpečně blízko pravděpodobně nás od ní dělí
méně než 10 let vývoje.
Další urychlování výpočtů bude proto vyžadovat nové fyzikální principy. Zatím
nejperspektivněji se v tomto směru jeví cesta založená na využití vlastnosti
elektronů nazývané spin. Nově vznikající obor nese jméno spintronika.
Spin se vlastně již dávno využívá při zápisu dat. Ve feromagnetech, jako je
železo nebo kobalt, se spiny valenčních elektronů uspořádávají tak, že míří ve
stejném směru, nastaveném například orientací dočasně působícího vnějšího
magnetického pole. Zmagnetované plošky povrchu harddisku dokáží díky tomu
uchovávat nuly a jedničky zapsané informace.

Místo náboje spin
Spintronika chce spin elektronů zapojit také do zpracování informace v
procesorech. Když feromagnetem prochází proud, jedna ze dvou možných spinových
orientací elektronů vzhledem ke směru magnetizace prostředí je pohlcována více
než druhá, takže vzniká spinově polarizovaný proud. Změny polarizace takovýchto
spinových proudů pak mohou reprezentovat jednotlivé operace výpočtu. Výhodou
oproti standardním procesorům, které využívají nepolarizovaných proudů, je
vyšší rychlost a nižší energetická náročnost (tedy menší produkované teplo)
spinových operací.
Technologie využívající spinu elektronů se podle své náročnosti dělí do třech
kategorií. Do první, nejjednodušší kategorie spadají počítačové prvky na bázi
kovů. Některá taková zařízení se v současných počítačích již běžně používají, u
jiných je jejich uvedení na trh pravděpodobně otázkou blízké budoucnosti.
Druhou kategorii tvoří magnetické polovodičové prvky, jež by byly analogií
současných čipů, ale místo náboje elektronu by jako nosičů informace používaly
spin. Právě tato zařízení by znamenala revoluční zvrat technologie, umožňující
další podstatný nárůst operační rychlosti procesorů. Jejich konstrukce se však
dosud potýká se závažnými problémy, takže se pravděpodobně jedná o hudbu
budoucnosti v horizontu odhadnutelném na zhruba 10 let.
Nejnáročnější třetí kategorie spintronických zařízení patří v současné době
spíše do žánru sci-fi: uvažuje se o manipulaci se spiny jednotlivých elektronů,
čímž by se otevřela cesta ke konstrukci spinového kvantového počítače.

Magnetické paměti
Spintronickým zařízením první kategorie jsou již dobře známé spinové čtecí
hlavy diskových jednotek, které umožnily až 40násobné zvýšení kapacity pevných
disků za posledních 7 let.
Fyzikálním principem "spinových ventilů", které jsou hlavní komponentou nové
diskové technologie, je jev tzv. obří magnetorezistence (Giant Magneto
Resistance, GMR), který spočívá v silném ovlivnění elektrického odporu vodiče
velmi malými změnami magnetického pole.
Vrstva nemagnetického kovu je vložena mezi dvě vodivé feromagnetické vrstvy
(viz obrázek). Zatímco magnetizace horní vrstvy je neměnná, dolní vrstva se
orientuje podle směru magnetizace čteného záznamu. Jsou-li orientace obou
feromagnetických vrstev stejné (na obrázku vpravo), jednotkou protéká proud
elektronů se souhlasnou orientací spinu. Naopak, jsou-li obě orientace opačné
(na obrázku vlevo), cesta elektronům obou polarizací je uzavřena. Tento efekt
je až 200krát silnější než obyčejná magnetorezistence, což dovoluje čtení
mnohem slabších magnetických záznamů, a tedy řádové zahuštění zápisu informace
na pevných discích.
Jinou aplikací jevu GMR jsou ultracitlivé magnetické senzory, používané např.
pro monitorování pohybu mechanických součástí motorů apod.
Dalším spintronickým zařízením na bázi kovů jsou magnetické paměti typu RAM,
tzv. MRAM, jejichž uvedení na trh je již netrpělivě očekáváno. Slibná varianta
paměti MRAM (viz obrázek) počítá s využitím sendvičové struktury dvou kovových
feromagnetických vrstev, oddělených tenkou izolační mezivrstvou. Ta nutí
elektrony k dalšímu v klasickém světě neobvyklému výkonu, totiž kvantovému
tunelování.
Stejně jako v případě spinového ventilu platí, že element propouští proud jen
tehdy, jsou-li polarizace obou feromagnetických vrstev souhlasné v takovém
případě je přečtena binární hodnota 1. Při opačné orientaci feromagnetických
vrstev proud neprochází element nese hodnotu 0. K výhodám pamětí MRAM patří
nízká cena, malé rozměry, energetická nenáročnost a zároveň velká rychlost.
Tyto vlastnosti by znamenaly spojení předností dnešních dvou paměťových
standardů statických a dynamických RAM -, ale zároveň i jejich dramatické
překonání. Informace zapsaná v paměti MRAM navíc nezmizí ani po odpojení
energetického zdroje, takže by odpadlo každodenní bootování systému po zapnutí
počítače.

Spinové procesory
Druhou, zatím jen projektovanou skupinu aplikací spintroniky jsou spinové prvky
na bázi polovodičů. Již od roku 1990 existuje návrh jednoduchého binárního
přepínače, založeného na spinové modifikaci polem řízeného tranzistoru (Field
Effect Transistor, FET).
V obyčejném tranzistoru typu FET je úzký polovodičový kanál mezi 2 elektrodami
zavírán a otevírán prostřednictvím napětí na pomocné elektrodě nad kanálem. Ve
spinovém FETu by zdrojové a přijímací elektrody byly souhlasně polarizovány a
proud protékající kanálem by byl spinově orientovaný. Protože tranzistor je
otevřen pouze proudům se spinem ve směru polarizace obou elektrod, zatímco pro
opačnou orientaci spinu je průchod elektronů zablokován, napětí na pomocné
elektrodě by nemuselo elektrony vychylovat mimo kanál (jako u obyčejného FETu),
ale mohlo by jen otáčet jejich spinem. Výsledný efekt by byl stejný, ale
rychlost uzavírání a otevírání kanálu by byla mnohem vyšší a energeticky méně
náročná.
Hlavní překážku realizace spinového FETu představují problémy s efektivním
vstřikováním spinově polarizovaných proudů do polovodičů. Rozhraní
feromagnetických kovů s konvenčními polovodiči nejsou řešením. Mnohem
nadějnější se zdá být vytvoření magnetických polovodivých materiálů pomocí
implantace vhodných příměsí do standardních polovodičů. Dosud používané jsou
především materiály na bázi galia a india. Jejich praktická použitelnost je
však omezená, protože vyžadují jiné výrobní postupy než křemík, na němž jsou
současné technologie výhradně založeny. Velkou pozornost proto na konci dubna
letošního roku vzbudilo oznámení úspěšného otestování prvního magnetického
křemíkového polovodiče jedná se o směs křemíku a železa s příměsí kobaltu,
která vykazuje magnetické vlastnosti při teplotách pod -220 ?C. Nutnost
trvalého chlazení je sice zatím nepříjemnou překážkou, která brání masivnějšímu
využití tohoto nového materiálu, jeho samotné vytvoření je nicméně důležitým
milníkem na cestě ke spinovému procesoru.

Čekání na mikroprocesor
Základní výzkum s potenciálem aplikací ve spintronice přitahuje stále více
pozornosti a peněz renomovaných firem. Vytvoření širokého výzkumného týmu,
věnujícího se otázkám spintroniky, nedávno oznámila například firma IBM
společně se Stanfordskou univerzitou. Cílem jejich projektu je plně
programovatelný spinový mikroprocesor.
Zahrnutí spinu do výpočetních procesů by kromě zvýšení výpočetní rychlosti
umožnilo i další zajímavé triky, jakým je například paralelní přenos dvou
signálů pomocí dvou opačných spinových orientací, současné zpracování optických
a elektrických signálů polovodičem atd. Výsledkem by mohla být nová generace
elektroniky, která by kombinovala zpracování, uchování a přenos informace v
rámci jednoho čipu.
Existují ještě odvážnější plány, o jejichž možné úspěšnosti dnes můžeme pouze
spekulovat. Dosud jsme se zabývali metodami, které sice využívaly kvantového
spinu elektronů, ale byly založeny v podstatě na makroskopických efektech na
proudech a magnetizacích, vznikajících součinností velkého množství
polarizovaných elektronů. Spinové technologie by však mohly umožnit také
sestrojení kvantového počítače, který by manipuloval se spiny jednotlivých
elektronů. Taková zařízení by tvořila třetí generaci aplikací spintroniky.

Dostatečná životnost
Jakkoliv vzdálené se dnes sny o kvantovém počítání mohou zdát, naději do žil
optimistů vlévají experimenty zjišťující poločas rozpadu spinové polarizace
elektronů v polovodičích a délku, kterou za tuto dobu elektrony urazí. Ukázalo
se, že koherentní kvantové superpozice elektronových spinových stavů, které
jsou nutné k uskutečnění kvantových výpočtů, mohou v kvalitních
galium-arzenidových polovodičích za nízkých teplot přežívat poměrně dlouhé doby
až stovky nanosekund. Tomu odpovídají relativně velké vzdálenosti, jež je
koherentní vlnový balík elektronových spinů schopen proběhnout byly naměřeny
hodnoty okolo jednoho mikronu, což je délka mnohonásobně přesahující
charakteristické rozměry součástí dnešních mikročipů.
Kvantová koherence je zachována i při transportu elektronů přes rozhraní
různých typů polovodičů, což by umožnilo využití velmi užitečných heterogenních
polovodičových struktur ve spintronice. Pomocí ultrarychlých laserových pulzů
bylo ukázáno, že otáčení elektronového spinu může být v polovodiči prováděno
rychlostí, která by dovolila provedení řádově tisíce kvantových operací v
intervalu před ztrátou koherence.
Všechny tyto výsledky jsou velmi povzbudivé. I kdyby se ale realizace snu o
kvantovém počítání měla odsunout na neurčito, zmíněné experimenty nás učí
porozumění fyzikálním procesům, jejichž ovládnutí se možná ukáže stejně
přelomové jako objev tranzistoru před 50 lety. Spintronická zařízení druhé
generace by znamenala revoluci v současné počítačové technologii a zajistila
možnosti jejího růstu na dlouhou dobu dopředu.

Co je to spin?
aSpin lze definovat jako vlastní "setrvačníkovou" rotaci částice, nezávisející
např. na tom, jak elektron "obíhá" na orbitě kolem atomového jádra. Obraz
částice jako otáčející se nabité kuličky, která s sebou nese určitý moment
hybnosti (podobně jako setrvačník) a odpovídající magnetický moment (způsobený
cyklickým pohybem náboje při rotaci), je sice velmi názorný, ale zároveň trochu
zavádějící. Elektrony nejsou prostorová "tělíska" v obvyklém slova smyslu. Spin
je ryze kvantovou vlastností a podle toho se také chová jeho projekce do
libovolného směru není libovolná, jako by tomu bylo u rotující kuličky, ale
může nabývat jen kvantovaných hodnot spin elektronu míří buď "nahoru," nebo
"dolů".

Další informace
www.cw.cz/cwarchiv.nsf úvodní informaci přináší článek "Vývoj v elektronice
nabývá obrátky", který vyšel v CW 40/2003
www.sciam.com/issue.cfm?issuedate=Jun-02 článek z časopisu Scientific American
en.wikipedia.org/wiki/Spintronics heslo "spintronics" v internetové
encyklopedii Wikipedia









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.