Спинтроника: Полупроводник превращает тепло в вычислительную мощность

В один прекрасный день компьютеры могут научиться повторно использовать часть собственного избыточного тепла, а поможет им в этом материал, изучением которого в данный момент занимаются исследователи Государственного Университета штата Огайо, США. Этот материал – полупроводник под названием арсенид галлия марганца.

В сентябре 2010го года интернет-издание "Nature Materials" опубликовало интервью с исследователями, в котором они рассказывают о выявлении эффекта, позволяющего полупроводнику преобразовывать тепло в квантово-механическое явление, известное как спин (вращение электрона). В случае успешности разработок этот эффект мог бы обеспечить работу интегральных микросхем на основе тепла, а не электричества.

Как объяснили лидеры группы Иосиф Хереманс, выдающийся ученый Огайо в области нанотехнологий, и Роберто Майерс, доцент кафедры материаловедения и электротехники Государственного Университета штата Огайо, это исследование объединяет сразу две передовые технологии: термоэлектричество и спинтронику.

Исследователи всего мира занимаются разработкой электроники, которая могла бы использовать спин электронов для чтения и записи данных. Разработка так называемых "спинтроников" обещает быть очень выгодной, так как теоретически это позволило бы хранить большее количество данных, занимая меньше места, быстрее обрабатывать данные и потреблять меньше энергии.

Майерс и Хереманс пытаются объединить спинтроники с термоэлектиками - то есть устройствами, которые преобразуют тепло в электричество. Гибридная технология, "термо-спинтроника", теоретически будет способна преобразовывать тепло в спин электрона.

При этом термо-спинтроник позволил бы решить сразу две проблемы компьютерной индустрии, а именно: как избавиться от избыточного тепла, и как увеличить вычислительную мощность, не создавая при этом еще больше тепла.

«Спинтроника рассматривается как возможная основа для создания новых компьютеров отчасти потому, что, по утверждениям, эта технология не дает тепла. Наши измерения пролили свет на термодинамику спинтроники, что может помочь проверить справедливость этого утверждения», – говорит Хереманс.

 «В самом деле, основным сдерживающим фактором при попытках электронной промышленности создать меньшие, более плотные компьютерные схемы является тепло, производимое этими схемами», – добавляет Майерс.

«Все существующие сегодня компьютеры на самом деле могли бы работать намного быстрее, но им не позволяют этого делать,  потому что иначе они бы очень быстро выходили из строя», – пояснил Майерс. – «Таким образом, полупроводниковая промышленность вынуждена вкладывать огромное количество денег в системы отвода тепла».

В одном из возможных воплощений термо-спинтроники устройство можно было бы разместить над традиционным микропроцессором для отвода избыточного тепла и использования его для работы дополнительного модуля памяти или для ускорения вычислений. Однако, как отметил Майерс, до воплощения этого замысла в жизнь ученым все еще далеко.

Исследователи занимались также изучением того, как тепло может быть преобразовано в поляризацию спина – эффект, называемый спиновым эффектом Зеебека. Впервые этот эффект выявили ученые Университета Тохоку. Сообщение об этом было напечатано в 2008м году в журнале «Nature». При этом исследователи выявили данный эффект не в полупроводнике, а во фрагменте металла.

Новые независимые измерения, проведенные членом команды Кристофером Яворским, докторантом в области машиностроения в штате Огайо, подтвердили наличие спинового эффекта Зеебека в полупроводниковом материале под названием арсенид галлия марганца.

Тогда как арсенид галлия является известным полупроводником, активно использующимся в современных мобильных телефонах, добавление к нему такого элемента, как марганец, наделяет этот материал магнитными свойствами.

Соавторы изобретения Шон Мак и Дэвид Авшалом, профессор Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре, помогавший интерпретировать результаты, сформировали из образцов этого материала тонкие монокристаллические пленки, после чего Ян Цзин, докторант в области материаловедения и инженерии из штата Огайо, подготовил пробы к эксперименту.

В этом типе материала, спины зарядов выстраиваются вдоль направления общего магнитного поля образца. Поэтому, когда исследователи из штата Огайо пытались определить спин электронов, они действительно измеряли то, ориентированы ли спины электронов в определенной части материала "вверх" или "вниз". В ходе эксперимента они нагревали одну сторону образца, а затем измеряли ориентацию спинов с горячей и холодной стороны. Оказалось, что с горячей стороны спины электронов ориентированы вверх, и с холодной – вниз.

К удивлению исследователей они также обнаружили, что двум фрагментам материала не обязательно даже быть физически связанными для передачи эффекта от одного к другому. Они специально соскоблили слой образца для создания двух фрагментов материала, разделенных крошечной щелью. Если бы спиновой эффект был вызван электрической проводимостью – то есть электронами, перетекающими из одной части материала в другую, – то разрыв послужил бы препятствием для распространения эффекта. После этого они снова нагрели одну сторону.

Эффект сохранился.

«Мы рассчитывали, что каждая часть будет иметь свое собственное распределение электронов с ориентацией спина вверх или вниз», – говорит Майерс. – «Вместо этого с одной стороны первого фрагмента спины электронов были ориентированы вниз, а с дальней стороны второго фрагмента – вверх. Эффект каким-то образом пересек разрыв».

«Первоначальное обнаружение спинового эффекта Зеебека группой Тохоку озадачило всех теоретиков», – добавляет Хереманс. – «В этом исследовании мы дали независимое подтверждение этих измерений на примере совершенно другого материала. Мы доказали, мы можем получить тот же результат, что и группа Тохоку, даже когда берем для измерения образец, разделенный на две части так,  чтобы исключить прохождение между ними электронов».

Ранее исследователи Университета штата Огайо продемонстрировали прототип пластикового модуля памяти, использующего спин электронов для чтения и записи данных. Он позволяет существенно повысить эффективность хранения и передачи данных, но это только часть преимуществ использования спина. На самом деле речь идет о переходе на новое поколение электроники.

Кроме вышеназванных, спинтроника имеет несколько важных преимуществ:

•         смена ориентации спина электрона требует гораздо меньше энергии (экономия энергии);

•         технология производит очень мало тепла;

•         устройства потребляют меньше электричества.

Теперь к этим перспективам добавилось еще и эффективное использование избыточного тепла. Исследования продолжаются, и кто знает, какие еще открытия ждут ученых на этом пути? 

Источник: esciencenews.com

• < Nokia E-Cu – телефон, заряжающийся от тепла
• 45 светодиодов + датчик движения + солнечная батарея = ? >

Комментарии: