(Bilde: Colourbox)

SPINNTRONIKK

Norske fysikere vil gjøre PC-oppstarten lynkjapp

«Spinntronikk» er nøkkelordet.

En PC som er klar til bruk et millisekund etter et trykk på strømbryteren er ikke mulig med konvensjonell elektronikk. Det kan tenkes å bli en realitet ved mer utstrakt bruk av spinntronikk.

Men spinntronikk er ikke like innarbeidet i dagligtalen som ordet elektronikk. I hvert fall ikke ennå.

Professor Arne Brataas er fysiker ved Institutt for fysikk på NTNU og Norges ledende forsker på spinntronikk. Vi snakket med ham sist i 2010.

I februar publiserte han en artikkel i Nature Nanotechnology som beskrives best med hans egne ord:

– Magnetiske bits blir lest ved hjelp av spinnstrømmer, men foreløpig er det ikke vanlig å skrive informasjonen på samme måte, sier Brataas.

Forskning innen elektronenes spinn kan bane vei for utviklingen av den neste generasjonen minnebrikker, transistorer og prosessorer.

Det kan bety en markant videreutvikling innen transport av datasignaler.

Les også: – Det er nærmest som alkymi

Snurrende elektroner

Spinntronikk går i likhet med digital elektronikk ut på å overføre signaler fra en plass til en annen. Men det er noen grunnleggende forskjeller mellom de to mekanismene.

– Et elektron har en ladning. I elektroniske kretser er det ladningen som brukes til å flytte på informasjon. Ved å flytte på ladningen, så flytter man også på informasjon. Og ved å manipulere ladningen, så kan man dermed endre informasjonen, forklarer Brataas.

I likhet med elektronikken, tar også spinntronikken i bruk elektroner, men på en annen måte.

– Et elektron har ikke bare en ladning. Det har også et spinn, som tilsynelatende er en rotasjon rundt sin egen akse. Spinntronikk går altså ut på å bruke denne indre rotasjonen som en informasjonsbærer, eller som mulighet til å manipulere informasjon, istedenfor bare å bruke ladningen, sier Brataas.

Og det er mange innfallsvinkler mot elektronspinn som det blir forsket på, både fra NTNU og andre kanter av verden.

Les også: Slik vil Nerdalize tilby gratis oppvarming

Mange varianter

– Det er mange varianter av spinntronikk. Man er generelt interessert i å vite hvordan spinn oppfører seg i mange typer materialer, sier Brataas.

Brataas forklarer at elektronene kan stå stille og kun rotere, men at de også kan være i bevegelse mens de roterer. Ved å flytte på dem, kan spinninformasjon overføres fra et sted til et annet.

Diamantspinn

Fysikere ved Ohio State University har nylig demonstrert en egenskap ved den edle diamanten som gjør den høyaktuell i spinntronikken.

De skal ha påvist at data kan sendes gjennom diamantledninger ved hjelp av spinntronikk.

Forskerne mener å ha kommet fram til at diamanter overfører spinn bedre enn de fleste metaller som har blitt observert.

– Oppdagelsen kan endre måten forskere studerer spinn, sier sjefsforsker Chris Hammel fra Universitetet i Ohio.

Prisen på diamantledningen skal "bare" ha kostet cirka 100 dollar, med en lengde på fire mikrometer og bredde på 200 nanometer. Siden det er syntetisk skal det være en betydelig lavere pris enn om det var en naturlig diamant.

– Vanligvis, kan ikke diamanter bære spinn i det hele tatt, fordi karbonatomene er låst sammen, men hvert elektron er stramt koblet til et naboelektron. Forskerne har måttet matet ledningen med nitrogenatomer for at uparede elektroner kunne spinne. Ledningen inneholdt bare et nitrogenatom per tre millioner diamantatomer, men det var nok til at ledningen ble i stand til å bære spinn, står det i pressemeldingen.

Det høres lovende ut, men det er fortsatt i et tidlig stadium. Og diamant er bare ett av flere materialer det forskes på.

Les også: Dette blir fysikkens nye megamaskin

Ledende og isolerende materialer

– Vi ser på mange materialer. Mange av dem er mer konvensjonelle, for eksempel kobolt, nikkel og jern. De er metaller, men har i tillegg den egenskapen at de er magnetiske. Og når et materiale er magnetisk, så er det rett og slett fordi det er flere spinn som roterer i en retning i forhold til den andre. Det er et nettospinn, en netto indre rotasjon som egentlig er magnetismen.

En fellesbetegnelse på slike magnetiske metaller er ferromagneter. Jern, kobolt og nikkel er grunnstoffene som er ferromagnetiske ved romtemperatur.

– Som regel er grunnen til at det ikke blir brukt kommersielt at det som regel er like mange elektroner som spinner i én retning, som spinner i akkurat den motsatte retningen. De kompenserer hverandre og nettorotasjonen blir da null.

Ikke-volatil RAM

– Hvorfor forsker dere på akkurat dette?

– Vi forsker på dette fordi først og fremst fordi det er interessant. Dette spinnet er en kvantemekanisk egenskap som er fundamentalt interessant å forstå i forhold til hvordan dette oppfører seg i materialer. Det er hovedmotivasjonen vår, sier Brataas.

Men Brataas peker også på en annen motivasjon: Den teknologiske.

– Dette er relevant for magnetiske lagringsenheter, og kan også være relevant for minnebrikker.

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) er hovedminne basert på spinntronikk som har én markant forskjell fra dagens DRAM (Dynamic Random Access Memory).

– Hvis du kan lage minnebrikker basert på magnetisme, så er det såkalt ikke-volatilt. Det vil si at informasjonen er der selv når du skrur av strømmen. Magneten peker i samme retning.

– Når du skrur av strømmen på en vanlig datamaskin, så tar det litt tid å starte den igjen, fordi alt må lastes inn i minnet på nytt fra harddisken, svarer Brataas.

– Så med magnetisk minne vil alt bli lagret og vil ligge klart i minnebrikken når maskina skrus på?

– Ja. I en harddisk er jo minnet der hele tiden, selv når du skrur av strømmen. Om minnebrikken hadde vært basert på samme type egenskap, så ville jo informasjonen også vært der hele tiden. Da vil datamaskinen kunne være klar nærmest umiddelbart når du skrur den på, sier professoren.

Les også: Neste USB-generasjon lader laptopen og leverer 100 watt

Magnetiske bits

– Vi er veldig interessert i at denne spinninformasjonen blir brukt til magnetiske lagringsmedier. En magnetisk bit er rett og slett bare et magnetisk materiale hvor magneten peker i en bestemt retning, som opp eller ned, sier Brataas.

– Som i 1 eller 0?

– Riktig. Avhengig av om den peker opp eller ned, oversettes det til 1 eller 0. Men når du skal lese dem, så gjøres det ut ifra et spinntronisk prinsipp. Man leser informasjonen ved å sende strømmer som har en bestemt spinnretning inn i den magneten. Da vil motstanden avhenge av den relative avstanden mellom de to magnetene. Slik kan man også lese informasjonen, sier Brataas.

Men selv om lesing gjennom spinn er godt utprøvd, er informasjon den andre veien en større utfordring.

– Foreløpig har det vist seg vanskelig å skrive informasjonen på samme måte med samme hastighet og forutsigbarhet, så man skriver dem med en ganske gammeldags metode. Mye av forskningen vi gjør går ut på å prøve å også kunne skrive informasjon. Ved å sende strømmer gjennom et materiale, kan vi da forandre retning på en bit bare ved hjelp av å sende disse signalene rett gjennom materialet, forklarer Brataas.

Det er nettopp dette som er temaet i Brataas' siste Nature Nanotechnology-artikkel.

Les også: – Hvis vi kunne brette ut poreveggene i fem gram aerogel, ville det dekke Lerkendal stadion

Med MRAM-brikker blir dataene lagret magnetisk slik som i harddisker. Det fører til at informasjonen blir lagret i brikken og ligger klar til bruk når maskina slås på. Det fører igjen til betydelig raskere oppstart av datamaskiner. Everspin

Moores lov

Gordon Moore er opphavsmannen bak den hittil ganske så presise "spådommen" Moores lov, som går ut på at antallet transistorer fordobles annethvert år. Noe som også skal kunne gjenspeile det meste av teknologi i høy utvikling.

– Skal Moores lov fortsette i ti år til, er linjebredden på transistorene på atomnivå, sier Brataas.

– Når ting er på atomstørrelse, blir det vel vanskelig å få det stort mindre?

– Ja, og da må man jo prøve å finne på andre ting. Og da er spinntronikk et av alternativene.

– Det er også tenkelig med transistorer som er basert på bare spinn og ikke ladning. Transistorer brukes jo i alle mulige slags typer elektronikk og alle mulige logiske kretser.

Brataas sier at det også kan trenges personer innen andre fagfelt for å se alle potensialene i materialene det forskes på.

– Det kan jo tenkes å brukes i detektorer og andre anvendelser som vi ikke har forutsett. Det kan være at de får spesielle egenskaper når man sender lys gjennom dem. Materialene kan ha interessante egenskaper og en del av dem vet vi ennå ikke hvordan vi skal bruke, sier Brataas.

Les også: Tidenes tørreste materiale

Høyt spill

Brataas har også nylig startet et nytt EU-prosjekt som heter Inspin, innen det som kalles "future and emerging technologies" (FET).

– Dette er mulig fremtidsteknologi som er high risk, high gain; høy risiko og høyt utbytte. Hvis du får det til da, sier Brataas.

Brataas beskriver målet til prosjektet som det ultimate alternativet innen spinntronikk.

– I vanlig elektronikk, så må du alltid ha et ledende materiale, noe som gjør at strømmen kan gå fra den ene siden til den andre. Men når det gjelder spinntronikk, så trenger ikke materialet være ledende. Det trenger ikke være slik at du faktisk forflytter elektroner fra den ene siden til den andre, sier Brataas.

Informasjon på langtur

Han forklarer konseptet med at rotasjonen til et elektron som står fast påvirker rotasjonen til det neste elektronet og så videre. Slik fungerte det også med diamantforskningen.

– Der står elektronene mer eller mindre fast, men de påvirker hverandre likevel. Materialene er isolatorer. Så det Inspin går ut på, er spinntronikk i isolerende materialer. Altså der hvor det ikke går noen vanlige elektriske strømmer, men hvor det kan gå strømmer av spinn likevel.

– Så dette er også et alternativ til elektronikk?

– Ja, det er det. Og det å gjøre det isolerende er på en måte det ultimate alternativet, for da er det ingen elektriske strømmer i det hele tatt. Det er bare strømmer av spinn. Men i kobolt, jern og nikkel, er det både strøm av elektrisk ladning og strøm av spinn, forklarer Brataas.

– Hva innebærer den forskjellen rent praktisk?

– Når det er et isolerende medium, så kan det innebære at denne spinninformasjonen kan gå veldig langt, fordi den ikke kolliderer med noe annet. Den overfører ikke energi fra denne spinninformasjonen til ladningsinformasjonen. Det kan være at det fører til mindre energitap, sier Brataas.

– Studier har vist at spinninformasjonen går centimeter avgårde uten å kollidere. På en nanoskala er det veldig, veldig langt.

Les også:

Slik fungerer batteriet som endret verden  

Her er metall-3D-printeren du kan lage selv

Ny type plast lager strøm av temperaturforskjeller