Tietokonesiru, joka ei koskaan ylikuumene? Nanokokoinen spinaaltolaite on askel kohti aivan uudenlaista laskentaa

Laskennassa käytetyn sähkövirran aiheuttama ylikuumeneminen hidastaa yhä nopeampien ja pienempien tietokonesirujen kehittämistä. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat yhdessä saksalaistutkijoiden kanssa kehittäneet uuden nanokokoisen, spinaaltoihin perustuvan laitteen, joka voi mahdollistaa entistä pienempien ja energiatehokkaampien tietokonesirujen ja -laitteiden kehittämisen. Tutkimusartikkeli on julkaistu Nature Communications -lehdessä.

Spin on hiukkasten, esimerkiksi elektronien, sähkövarausta vastaava ominaisuus, ja magneettisissa materiaaleissa spiniä voidaan kuljettaa aallon muodossa. Spintroniikassa tutkitaan, miten spinejä voisi hyödyntää tiedon tallettamisessa, käsittelemisessä ja sen siirtämisessä.

Tutkijat halusivat käyttää spinaaltoja eli spinien kollektiivista värähtelyä magneettisissa materiaaleissa suorittaakseen laskelmia.

“Kun hyödynnämme spinaaltoja, sähkövaraus ei siirry, jolloin ei myöskään synny kuumenemista”, sanoo professori Sebastiaan van Dijken.

Tutkimusta varten he rakensivat spinaalloille soveltuvan Fabry-Pérot -resonaattorin. Se on optiikasta tuttu työväline, jota tyypillisesti hyödynnetään tarkkuutta vaativaan valonsäteiden aallonpituuden hallitsemiseen. Tutkijoiden rakentama resonaattori on halkaisijaltaan vain muutama sata nanometriä ja mahdollistaa spinaaltojen hallinnan ja suodattamisen.

Resonaattori tehtiin kerrostamalla päällekkäin hyvin ohuita magneettisia materiaalikerroksia. Niiden tarkkaan valitut magneettiset ominaisuudet mahdollistivat spinaaltojen vangitsemisen ja kumoamisen, mikäli ne eivät olleet täsmälleen toivotulla taajuudella.

“Menettely on uusi, mutta helppo toteuttaa. Siinä yhdistetään ja kuvioidaan vähähäviöisiä magneettisia materiaaleja, joita voimme tehdä Aallossa. Ja koska näiden laitteiden valmistaminen ei ole kovin vaikeaa, meillä on paljon mahdollisuuksia jatkotutkimukselle”, sanoo tutkijatohtori Huajun Qin.

Kuumenemattomuuden lisäksi spinaalloilla on perinteiseen elektroniikkaan verrattuna muita vahvuuksia. Perinteinen, varaukseen perustuva laskenta hyödyntää totuusarvoista eli nolliin ja ykkösiin perustuvaa logiikkaa laskelmien tekemiseksi. Spinaalloilla informaatio siirtyy aallon voimakkuuden tai vaiheen mukana, ja se mahdollistaa ei-totuusarvoisen laskennan.

”Tämän tyyppinen laskenta on erittäin tehokasta erityisesti tietyissä tehtävissä, kuten kuvankäsittelyssä ja hahmontunnistuksessa. Se on samankaltaista kuin optinen laskenta, joka käyttää lasereiden tai diodien tuottamia fotoneja laskennassa, mutta spinaallot ovat paljon pienempiä kuin sähkömagneettiset aallot samalla taajuudella. Järjestelmämme vahvuus on siis se, että sen pitäisi kokonsa puolesta olla helposti integroitavissa nykyteknologiaan”, van Dijken sanoo.

Nyt kun tutkijatiimi on rakentanut resonaattorin, jolla voi suodattaa ja hallita spinaaltoja, he aikovat seuraavaksi rakentaa kokonaisen piirin.

”Magneettista piiriä varten meidän täytyy pystyä ohjaamaan spinaaltoja kohti toiminnallisia komponentteja aivan kuten sähköiset kanavat ohjaavat virtaa elektronisilla mikrosiruilla. Tavoitteena on rakentaa samankaltaisia rakenteita spinaaltojen ohjaamiseksi”, Qin kertoo.

Tutkimus tehtiin yhteistyössä saksalaisen Martin Luther University Halle-Wittenberg -yliopiston tutkijoiden kanssa. Hanketta tukee Suomen Akatemia ja saksalainen tutkimussäätiö. Kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria käytettiin näytteiden valmistamiseen.

Lisätietoa:

Artikkeli: Nanoscale magnonic Fabry-Pérot resonator for low-loss spin-wave

Sebastiaan van Dijken
Professori
Aalto-yliopisto
sebastiaan.van.dijken@aalto.fi
puh. 050 316 0969
Tutkimusryhmän nettisivu

Huajun Qin
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
huajun.qin@aalto.fi