Et besøg i spindoktorernes værksted
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.

Et besøg i spindoktorernes værksted

Sidste gang elektronikken blev genopfundet var i 1948, da forskningsdirektøren for Bell Laboratories i USA præsenterede halvlederækvivalenten til rørforstærkeren. »Vi kalder den en transistor«, fortalte Ralph Brown pressen.

På det tidspunkt havde ikke engang opfinderne nogen anelse om, hvor revolutionerende deres transistor ville blive.

Nu er elektronikken på vej til endnu et stort spring fremad. I konventionel mikroelektronik manipuleres elektroner via deres ladning, mens en anden af elektronens fundamentale egenskaber – dens spin – kun indirekte spiller en rolle. Spin er en kvantebetegnelse for elektronen som en snurretop, og spinnet bestemmer elektronens magnetiske moment. Magnetisk manipulation af elektroners spin kan bane vej for ultrahurtig, energiøkonomisk elektronik med nye egenskaber og måske endda for kvantecomputere med ekstrem regnekapacitet.

Spinelektronik, eller kort og godt spintronik, fik sit første kommercielle gennembrud i 1997 i læsehoveder til harddiske i computere. Her udnyttes en effekt, som kaldes gigantisk magnetoresistens (GMR).

Effekten opstår i en sandwich, hvor en tyndfilm af et umagnetisk materiale er anbragt mellem to tynde lag af ferromagnetiske metaller. Det første metallag har et fastlåst magnetfelt, hvor alle atomerne – som små stangmagneter – vender deres nordpoler i samme retning.

Når en strøm sendes gennem metallet, opstår der en spinpolariseret strøm, hvor et flertal af elektronerne har samme spin. Hvis den magnetiske orientering i det andet metallag svarer til orienteringen i det første, løber den spinpolariserede strøm forholdsvis let gennem kontakten. Men hvis orienteringen i det andet lag vendes via et ydre magnetfelt, øges modstanden så dramatisk, at strømmen næsten slukkes.

Når et læsehoved bevæger sig hen over en harddisk, tændes og slukkes strømmen, mens læsehovedet passerer de små magnetiske domæner på harddisken, der repræsenterer digitale bits. Netop GMR-læsehoveders store følsomhed over for svage magnetfelter er en vigtig årsag til, at man i de senere år dramatisk har kunnet øge tætheden af de magnetiske data, som kan pakkes sammen på en harddisk.

Nutidens kommercielle magnetiske læsehoveder er alle baseret på strømme af spinpolariserede elektroner. Ny dansk forskning på Nano-Science Centeret på Københavns Universitet viser imidlertid, at følsomheden over for svage magnetfelter kan blive endnu større, hvis man sender strømmen fra de magnetiske elektroder gennem et kulstof-nanorør, hvor der kun kan være en ekstra elektron ad gangen.

Forskergruppen, som ledes af Poul Erik Lindelof, har som de første i verden fremstillet en eksperimentel spinkontakt af et hybridmateriale, som består af en magnetisk halvleder med indbyggede nanorør. Halvlederen rummer magnetiske domæner med fast orientering og domæner, hvor orienteringen kan vendes ved at pålægge kontakten et lille magnetfelt. De to domæner er forbundet med elektrisk ledende nanorør. Når magnetfeltet er slået til, har begge domæner samme orientering, og en enkelt spinpolariseret elektron løber gennem nanorøret. Når magnetfeltet vendes, ændres orienteringen i det ikke-fastlåste domæne. Så forbinder nanorøret to modsatrettede domæner, og elektronen kan ikke passere.

Hybridkontakten giver et fingerpeg om, hvor små fremtidens spinkontakter kan blive, og hvor lidt energi, der skal til for at skifte et bit.

Alt på samme chip

Den næste kommercielle anvendelse af spintronik bliver efter al sandsynlighed magnetisk ram (MRAM), som ligeledes bygger på lagdelte spinkontakter. Når den magnetiske orientering i begge metallag i en kontakt er ens, løber der en spinpolariseret strøm gennem kontakten, hvilket svarer til det digitale bit 0. Når orienteringen vendes i det andet metallag, bremses strømmen, hvilket repræsenterer det digitale bit 1.

MRAM har den store fordel sammenlignet med konventionel ram, at ingen data går tabt, selv om strømmen slukkes, fordi den magnetiske orientering bevares i metallagene. Når vi slukker nutidens computere, læses alle data fra arbejdshukommelsen ned på harddisken, og hvis strømmen uventet forsvinder, mister man de data, som ikke blev gemt. Med MRAM kan man i princippet fremstille en komplet computer med arbejdshukommelse og datalager på en og samme chip.

En sådan computer skal ikke bruge tid på at starte op, fordi styresystem, programmer og data er operative, så snart man tænder computeren.

Flere store elektronikfirmaer satser på teknologien; f.eks. har IBM udviklet en 256-kilobyte MRAM chip. Endnu kan hverken ydelsen eller prisen konkurrere med konventionelle DRAM-klodser, så derfor anvendes MRAM primært i funktioner, hvor tab af data som følge af strømsvigt er katastrofalt, f.eks. i satellitter.

Fremtidens MRAM kan blive baseret på nanoteknologi snarere end sandwicher af tynde ferromagnetiske metallag med en umagnetisk tyndfilm i midten. På DTU forsker Steen Mørup ved Fysisk Institut i datalagring i små nanopartikler af jern, og på Risø karakteriserer Kim Lefmann og Luise Theil-Kuhn de metalliske nanohukommelser. Med hensyn til datalagring er den forskningsmæssige udfordring især, at det er svært at fastlåse den magnetiske orientering i så små strukturer, fordi kvanteeffekter får nanopartiklerne til at glemme retningen af deres magnetfelt.

Spin i halvledere

Både læsehoveder og MRAM fremstilles i dag af metaller. Men hvis spintronik for alvor skal slå igennem i forbrugerelektronik som computere og mobiltelefoner, bliver det nødvendigt at overføre den nye teknologi til halvledere, som elektronikindustrien har stor ekspertise i at forarbejde.

Rent konceptuelt er det rimeligt ligetil at designe en spin-FET-transistor (Felt-Effekt-Transistor), der kan afløse de nuværende FET-transistorer i chips. Man har en ferromagnetisk kilde (source), der leverer en spinpolariseret strøm af elektroner, der passerer gennem en kanal hen til et ferromagnetisk dræn (drain). Når man sætter en spænding på kanalen, vendes elektronernes spin. Det skyldes, at elektroner, der bevæger sig i et elektrisk felt, oplever et magnetfelt. Så lukkes adgangen til drænet, og strømmen standser.

En spin-FET vil have flere fordele sammenlignet med konventionelle transistorer. At vende elektronens spin kan gøres meget hurtigere og med langt mindre energi end i en almindelig FET, hvor man bruger et elektrisk felt til at ændre kanalen fra at være ledende til at blive en isolator. Herved presses alle elektroner ud af kanalen, og det kræver en ladningstilførsel. Samtidig kan en spin-FET være aktiv på helt nye måder. Man kan f.eks. vende den magnetiske orientering i kilden og drænet med ydre magnetfelter og på den måde skabe logiske porte, hvis funktioner kan ændres efter behov, mens chippen arbejder.

I praksis er det imidlertid uhyre vanskeligt at konstruere en spin-FET; først og fremmest fordi de foretrukne halvledere til mikroelektronik – silicium og gallium-arsenid – ikke er magnetiske.

Mange forskergrupper arbejder på at løse problemet ved at indbygge magnetiske atomlag eller tyndfilm i halvlederne – gruppen ved Københavns Universitet har opnået lovende resultater med gallium-magnesium-arsenid. I 2004 lykkedes det en international forskergruppe at gøre en silicium-jernlegering ferromagnetisk ved at dope den med cobalt. Indtil videre er materialet dog kun magnetisk ved temperaturer på under minus 220 grader celsius, så der er lang vej igen til praktisk anvendelse af magnetisk silicium i forbrugerelektronik.

En lovende strategi til at få introduceret halvledere i spintronik er udvikling af hybridkomponenter, hvor ferromagnetiske metaller anvendes til at injicere spinpolariserede elektroner ind i halvlederne. Her kan effektiviteten forbedres dramatisk, hvis alle de spinpolariserede elektroner har ens spin – i modsætning til ved brug af traditionelle metaller som jern, hvor en lille del af elektronerne spinner i modsat retning end flertallet. Dette kan opnås med de såkaldte halvmetaller (Heusler-legeringer), som Jørn Bindslev Hansen på Fysisk Institut på DTU er langt fremme med.

Kvantecomputere

Det mest fascinerende, men også mest langsigtede aspekt af spintronik er, at manipulation af individuelle elektroners spin måske kan bane vej for kvantecomputere i halvledere.

I en almindelig computer kan man gemme et 1-tal eller et 0 i en bit. En kvantecomputer kan rumme både 1 og 0 i den samme bit, fordi en elektron kan gives et horisontalt spin, som er en superposition, der både indeholder spin-op og spin-ned. Et kvantebit kaldes for et qubit.

Når en almindelig computer regner ved hjælp af to transistorer, kan de indeholde fire forskellige kombinationer af bits: 00, 01, 10 og 11. Hver gang en bit skiftes ud under en beregning, omprogrammeres en af transistorerne, og det kræver fire operationer, når man skal hele vejen rundt. En kvantecomputer med to spin-korrelerede elektroner kan regne på alle fire kombinationer i ét enkelt trin, hvilket gør den til en ekstremt effektiv talknuser. Antallet af bits, der kan håndteres i samme operation, fordobles hver gang, en ekstra elektron kobles på.

I de eksperimenter med kvantecomputere, som hidtil er udført, har man bl.a. skabt kvantekorrelation mellem nogle få atomer, som holdes isolerede i magnetiske fælder og dermed afskærmes fra omverdenen, hvilket er en forudsætning for at bevare superpositionen længe nok til at udføre beregninger. I den sammenhæng har elektroners spin-qubits den fordel, at de kun vekselvirker svagt med omgivelserne; primært gennem deres magnetiske spredningsfelter, som er af kort rækkevidde.

Hvis det en dag lykkes at udføre kvanteberegninger i halvledere ved hjælp af elektroners spin, kan det skabe et afgørende gennembrud for informationsteknologien.

»I små nanostrukturer, kvanteprikker, kan man bringe to eller flere elektroners spin i en sammenfiltret kvantetilstand ved hjælp af spinresonanspulser og med magnetiske og elektriske felter. Udlæsning af den sammenfiltrede tilstand svarer til en meget omfattende beregning. Studier af elektronspin i halvledere bygger direkte på den fundamentale kvantemekaniske sandsynlighedsfortolkning, og det gibber i en, når man tænker på, at det er sådan naturen fungerer«, siger Poul Erik Lindelof.