Ученые совершили очередной шаг на пути создания микропроцессоров и компьютерной памяти, которые будут работать на основе магнитных свойств электронов. Это позволит сделать их существенно более миниатюрными и снизить энергопотребление, говорится в статье, опубликованной на страницах свежего номера журнала Nature.
В основе современных микросхем лежит способность манипулировать перемещением электронов под действием электрического поля. Такая технология используется уже на протяжении сорока лет, за которые размер транзисторов стал существенно меньше, а их число в процессорах выросло в миллионы раз. Однако ученые полагают, что дальнейшая миниатюризация вряд ли возможна. У Рона Янсена (Ron Jansen) из Университета Твенте в Нидерландах опасения связаны не с токами утечки, с которыми пока удается бороться (например, за счет использования гафния вместо кремния), а с тем, что со временем для манипуляции зарядами в чипах будет требоваться колоссальная энергия. Электронные устройства станут настолько прожорливыми, что их нельзя будет использовать.
Чтобы решить эту проблему, ученые предлагают использовать не заряд электрона, а его собственный момент вращения, так называемый спин. Спин – это, образно выражаясь, направление вращения электрона вокруг собственной оси. Если научиться управлять направлением вращения, то этим самым можно формировать двоичный код. Вращение в одну сторону – ноль, в другую – единица.
В своем последнем эксперименте ученые смогли внедрить в полупроводник некоторое число электронов, наибольшая часть которых имела один и тот же спин. Они взяли сплав никеля с железом и пластину из обычного кремния. Между ними поместили ультратонкий слой оксида алюминия, примерно нанометр толщиной. Оксид алюминия играл роль изолятора. При прикладывании тока между двумя слоями возникал квантово-механический туннельный эффект, посредством которого некоторые электроны перескакивали из магнитного материала в кремний. При этом электроны с одним спином проходили через слой изолятора лучше, чем электроны с другим моментом. В результате наибольшая часть перемещенных электронов имела один спин.
Сложность заключается в том, что заставить электроны вращаться в определенном направлении в современных материалах, использующихся в микроэлектронной промышленности, не так-то просто. Для того чтобы провести эксперимент, ученым пришлось взять атомы из магнита, в котором они уже имели свой момент, и переместить их в полупроводник с сохранением спина. Ранее подобные операции выполнялись при сверхнизких температурах с использованием в качестве конечного материала редкого полупроводника арсенида галлия. Теперь ученым удалось внедрить электроны в обычный полупроводник и сделать это при комнатной температуре. Успех эксперимента был обусловлен применением очень тонкого слоя оксида алюминия. Раньше в подобных опытах использовалось несколько слоев, которые затрудняли прохождение электронов.
Сейчас ученым нужно придумать, как менять спин электронов, которые уже находятся в кремнии. «Мы смогли переместить строительные блоки в нужное место, - заключает Янсен. – Теперь нам нужно из них что-нибудь построить».
