Geleceğin elektronik cihazları: Spintronics araştırması yeni enerji tasarrufu mekanizmaları getirecek!
Kılavuz
Son zamanlarda, Japonya'daki Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları, potansiyel spintronik uygulamaları için yeni bir tür yarı tek boyutlu malzeme önerdiler. Bu malzemelerin spin özelliklerini göstermek için simülasyonlar yaptılar ve bu davranışların arkasındaki mekanizmaları açıkladılar.arka fon
Elektronların iki temel özelliği vardır: yük ve dönme.
Birçok arkadaş elektrik yükünün niteliğine aşinadır. Ortaokul fiziğinde şunu öğrendik: yüklerin yönsel hareketi bir elektrik akımı oluşturur. Geleneksel bilgisayarlar, veri bilgilerini iletmek ve işlemek için elektrik akımı kullanır. Bununla birlikte, akım geleneksel bilgisayarlara ve elektronik cihazlara da bazı darboğazlar getirmiştir.İki ana husus vardır: çok elektrik tüketir ve çok fazla ısı üretir. Ek olarak, Moore sonrası dönemin gelişiyle, elektronik cihazların performansı fiziksel sınırlarına yaklaşıyor.
Spin niteliği yeterince ilgi görmedi. 1925'e kadar GE Uhlenbeck ve SA Guzmit, Paulinin dışlama ilkesinden ilham aldılar, atomik spektrumların bazı deneysel sonuçlarını analiz ettiler ve elektronların spin özelliklerine ve elektron spinleri ile ilişkili spin manyetik momentlerine sahip olduğunu öne sürdü. . O zamandan beri insanlar anlamaya ve yavaş yavaş elektronların spin özelliklerini incelemeye başladılar.
Spin, elektronların doğal bir kuantum fiziksel özelliğidir. "Yukarı" ya da "aşağı" bir tür açısal momentum olarak anlaşılabilir. Elektronlara, bilgiyi iletmek veya depolamak için kullanılabilecek manyetik bir moment verir. Spintronik malzemeler, malzemedeki ikili verileri "yukarı" veya "aşağı" elektron dönüş yönü ile kaydedebilir (tıpkı bir çubuk mıknatısın kuzey ve güney kutupları gibi).
(Resim kaynağı: referans [3])
Geleneksel elektronik cihazlarla karşılaştırıldığında spintronik cihazlar çok az ısı üretir ve çok az elektrik kullanır. Spintronik bilgisayarlarda, verileri bellekte depolamak için gereken enerji neredeyse sıfırdır. Spintronic bilgisayarlar da anında başlatılabilir ve potansiyelleri modern elektronik bilgisayarlardan birçok kez daha fazladır. "Elektron spin" kullanımıyla, birçok yeni uygulamaya ek olarak elektronik cihazların performansı iyileştirilecektir.
Dünyanın her yerindeki bilim adamları, spintroniklerin özelliklerini incelemek ve karşılık gelen spintronik mantık ve depolama cihazlarını üretmek için bazı "özel malzemeler" kullanıyorlar. Yazar ayrıca daha önce aşağıdakiler gibi bazı ilgili vakaları da tanıttı:
(1) Riverside, California Üniversitesi'nden mühendisler, basit iki katmanlı silikon ve nikel-demir permalloy (Permalloy) sandviçinde spin akımını tespit etmek için etkili bir teknik bildirdi.
(Resim kaynağı: California Üniversitesi, Riverside)
(2) Dallas'taki Texas Üniversitesi'ndeki bilim adamları yeni bir bilgisayar cihazı türü tasarladılar: tamamen karbon spin mantık cihazı. Tamamen karbondan yapılmıştır ve spintronik prensibini kullanır. Boyut silikon transistörlerden daha küçük ancak performansı daha iyi.Gelecekte silikon transistörlerin yerini alması bekleniyor.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: Magnetoresistive grafen nanoribonlar, fermuarlı bir fermuar gibi, karbon nanotüplerin üstünde bulunur. Grafen nanoribonlar, iki paralel karbon nanotüp tarafından kontrol edilir. Tüm gerilimler sabit olduğunda, tüm akımlar tek yönlüdür. Kontrol akımı ICTRL girdisinin karbon nanotüplere büyüklüğü ve göreceli yönü, manyetik alan B'nin büyüklüğünü, grafen karbon nanoribbonların kenar mıknatıslanmasını ve çıkış akımı IGNR'yi belirler.
(Resim kaynağı: referans [4])
(3) Hollanda'daki Groningen Üniversitesi'nden ve Almanya'daki Regensburg Üniversitesi'nden araştırmacılar, uzun bir dönüş ömrü ve elektrikle kontrol edilebilen dönüş ömrü anizotropisine sahip, optimize edilmiş bir çift katmanlı grafen cihazı inşa ettiler. Potansiyel pratik uygulamaları spin tabanlı mantık cihazlarını içerir.
(Fotoğraf kredisi: Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / Groningen Üniversitesi)
(4) Singapur Ulusal Üniversitesi liderliğindeki uluslararası bir bilimsel araştırma ekibi, ferromıknatıs kullanan yeni bir manyetik cihaz türü icat etti. Ticari "spintronic" dijital hafıza ile karşılaştırıldığında, bu cihaz dijital bilgileri 20 kat daha verimli ve 10 kat daha kararlı şekilde işler.
(Resim kaynağı: Singapur Ulusal Üniversitesi)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Japonya'daki Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları, potansiyel spintronik uygulamaları için yeni bir tür yarı tek boyutlu malzeme önerdiler. Bu malzemelerin spin özelliklerini göstermek için simülasyonlar yaptılar ve bu davranışların arkasındaki mekanizmaları açıkladılar.
(Resim kaynağı: Tokyo Teknoloji Enstitüsü)
teknoloji
Arka plan bölümünde tanıtıldığı gibi, dünyanın her yerinden araştırmacılar, gerekli elektronik spin özelliklerine sahip bir malzeme yapısı aracılığıyla bir spin akımı oluşturmanın uygun bir yolunu bulmaya çalışıyorlar.
Rashba-Bychkov etkisi ("Rashba etkisi" olarak anılır), spin-up ve spin-down elektronlarını ayıran simetrinin yok edilmesini içerir Bu etkinin yukarıdaki amaç için kullanılması beklenmektedir.
Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden Doç. Dr. Yoshihiro Gohda ve meslektaşları, bizmut adsorbe edilmiş indiyum bazlı yeni bir yarı tek boyutlu materyal simülasyonları yoluyla, enerji kaybı olmadan bir spin akımı oluşturmak için büyük bir Rashba etkisi gösteren yeni bir mekanizma önerdiler .
Yarı tek boyutlu bir malzeme nedir?
Yarı-tek boyutlu nanomateryaller, karbon fiberleri, karbon nanotüpleri, nanorodlar, nanoteller, yarı iletken nanoquantum telleri, nanotel dizileri gibi iki boyutlu ve makro ölçekli uzunlukta nanomateryallerin yeni türlerini ifade eder.
Gohda şöyle açıkladı: "Mekanizmamız spintronik uygulamalar için uygundur ve avantajı, yayılmayan bir spin akımı oluşturmak için harici bir manyetik alana ihtiyaç duymamasıdır." Bu avantaj, potansiyel spintronik cihazları basitleştirecek ve daha da küçültecektir.
Araştırmacılar, belirli bir voltaj uygulayarak bir dönüş akımı oluşturabilen devasa Rashba etkisini gösteren bu malzemelere dayalı simülasyonlar yaptılar. Bu malzemelerin birden çok varyantının Rashba özelliklerindeki farklılıkları karşılaştırarak, malzemelerin spin özelliklerinde gözlemlenen farklılıklar için bir açıklama sağlarlar ve malzemelerin daha fazla araştırılması için rehberlik sağlarlar.
değer
Bu tür araştırmalar çok önemlidir, çünkü elektronik cihazları daha da iyileştirmek ve mevcut fiziksel sınırlarını aşmak istiyorsak, o zaman tamamen yeni bir teknolojiye ihtiyaç vardır.
Gohda şu sonuca varmıştır: "Araştırmamız enerji verimli spintronik uygulamaları için önemlidir ve farklı tek boyutlu Rashba sistemlerinin daha fazla araştırılmasını teşvik eder."
Daha hızlı belleklerden kuantum bilgisayarlara, Rashba sisteminin faydalarının daha iyi anlaşılması ve kullanılması büyük bir etkiye sahip olacaktır.
Anahtar kelime
Malzeme, spin, elektronReferans
[1] https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/043279.html
[2]
3 S.Y. Bodnar ve diğerleri, Néel spin-yörünge torkları ve büyük anizotropik manyetoresistance tarafından antiferromanyetik Mn2Au yazma ve okuma, Nature Communications 9, 24 Ocak 2018, DOI: 10.1038 / s41467-017-02780-x
4 Joseph S. Friedman ve diğerleri, Düşük boyutlu karbonlu Cascaded spintronic logic, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038 / ncomms15635
