Spin: droga do swobody

Elektronika przeszłości nonszalancko wykorzystywała tylko jedną cechę elektronu: ładunek elektryczny. Elektronika przyszłości to intensywna eksploatacja zjawisk związanych ze spinem.

Elektronika przeszłości nonszalancko wykorzystywała tylko jedną cechę elektronu: ładunek elektryczny. Elektronika przyszłości to intensywna eksploatacja zjawisk związanych ze spinem.

Wśród komputerowców krąży złośliwe powiedzenie: "Nieważne, jak nowoczesny jest twój komputer, i tak zawsze na wynik jego działania będziesz musiał czekać przynajmniej 15 minut". Coś w tym jest i nietrudno zgadnąć, co: wraz z rozwojem informatyki wzrasta złożoność analizowanych problemów i ilość przetwarzanych danych. Przeciętny użytkownik najłatwiej zauważy tę zależność we wszelkich działaniach związanych z przetwarzaniem grafiki. Gdy kilka lat temu fotografia cyfrowa zdobywała rynek, standardowy aparat oferował rozdzielczość 640x480, co odpowiadało zaledwie ok. 300 tysiącom pikseli. Obecnie detektory CCD oferują nawet 11 milionów pikseli. To oznacza, że do przetworzenia jednego obrazu w tym samym czasie potrzeba pamięci i mocy blisko 40 razy większej. W dodatku wciąż rysują się kolejne potrzeby, choćby związane z oczekiwanymi nowymi technikami wizualizacyjnymi: elektronicznym papierem oferującym rozdzielczość drukarską czy urządzeniami do wizualizacji trójwymiarowej. Zwłaszcza w tym ostatnim wypadku utrzymanie dotychczasowej rozdzielczości przekroju 2D, charakterystycznej dla zwykłych monitorów, wymagałoby zwiększenia liczby przetwarzanych pikseli nie dwu- czy trzykrotnie, ale aż o trzy rzędy wielkości! Podobne zależności można zaobserwować w innych obszarach zastosowań technik komputerowych.

Na granicy możliwości

Wobec nieuniknionego dochodzenia do granic obecnej technologii produkcji układów scalonych pojawia się pytanie, czy obowiązujące dotychczas prawo Moore'a zachowa swą moc? Układy pamięci i twarde dyski z roku na rok stają się pojemniejsze, procesory bardziej wydajne, ale czy obecna technologia pozwala na dalszy rozwój i utrzymanie zaobserwowanego przez Moore'a tempa dwukrotnego wzrostu gęstości upakowania elementów elektronicznych w ciągu każdego półtora roku? Pytanie jest jak najbardziej sensowne, gdyż ograniczeniem przestaje być nieumiejętność miniaturyzacji układów elektronicznych. Opór zaczyna stawiać sama fizyka elektroniki opartej na klasycznych, makroskopowych zachowaniach ładunków elektrycznych.

Prawo Moore'a ze spostrzeżenia stało się przekleństwem producentów mikroprocesorów. Do utrzymania dwukrotnego wzrostu upakowania elementów w ciągu każdego 1,5 roku nie wystarczy już prostaminiaturyzacja. Wykres: dane z firmy Intel.

Prawo Moore'a ze spostrzeżenia stało się przekleństwem producentów mikroprocesorów. Do utrzymania dwukrotnego wzrostu upakowania elementów w ciągu każdego 1,5 roku nie wystarczy już prostaminiaturyzacja. Wykres: dane z firmy Intel.

Gdy elektronika wkroczyła w zakres zarezerwowany dla nanotechnologii - gdy szczegóły układów stały się mniejsze od 100 nanometrów - coraz większą rolę zaczęły odgrywać zjawiska kwantowe. Typowy współczesny procesor jest już obecnie tak zwanym układem mezoskopowym, co oznacza, że jego rozmiary są porównywalne lub nawet mniejsze od średniej drogi swobodnej elektronu w materiale. Ponieważ elektron ma w tej skali odległości oprócz cech korpuskularnych także naturę falową, dochodzi do niepożądanych interferencji pomiędzy poszczególnymi elektronami. Dalszy postęp miniaturyzacji - z pozoru niezbędny w celu zapewnienia większego upakowania danych i skrócenia czasu ich przetwarzania - staje się utrudniony lub wręcz niemożliwy właśnie z uwagi na efekty kwantowe. Elektronika klasyczna w sposób niekontrolowany przekształca się w elektronikę kwantowę. I przestaje działać.

Ocenia się, że technologia używana obecnie do produkcji krzemowych układów scalonych osiągnie swój fizyczny limit już w ciągu najbliższych 20 lat. Czy to oznacza, że w 2025 roku dalszy rozwój komputerów będzie niemożliwy? Odpowiedź brzmi: nie. Okazuje się, że korzystając z obecnej technologii - czy raczej poprzez umiejętne jej rozbudowanie i transformowanie - można w krzemowej płytce o tej samej objętości upakować znacznie więcej danych i przetwarzać je znacznie wydajniej niż dotychczas.

Nie tylko ładunek

Współczesna elektronika wykorzystuje tylko ładunek elektryczny elektronu, gdyż ta cecha okazała się najłatwiejsza do wykrycia i przekształcenia na poziomie makroskopowym: modyfikując ruch wielu elektronów, uzyskiwaliśmy wyraźne zmiany prądu. Tymczasem każda cząstka elementarna ma wiele innych cech kwantowych, z których do najważniejszych zaliczają się masa i spin. Z masą można niewiele zrobić, ale ze spinem sprawa ma się zupełnie inaczej. Zaskakujące, że to właśnie miniaturyzacja układów, dochodząc do granic stosowalności, jednocześnie otworzyła drogę do wykorzystania nowych zjawisk fizycznych, niemożliwych do zrealizowania w makroświecie. Przeszkoda okazała się, co prawda, murem, ale w jego środku tkwiła brama do lepszego świata.

Spintronika gości już w naszych domach: głowice twardych dyskówod lat wykorzystują zjawisko gigantycznego magnetooporu.Na zdjęciu głowica GMR 120 Gb/cal2 firmy ALPS.

Spintronika gości już w naszych domach: głowice twardych dyskówod lat wykorzystują zjawisko gigantycznego magnetooporu.Na zdjęciu głowica GMR 120 Gb/cal2 firmy ALPS.

Spintronika, (elektronika spinowa), opiera się nie na ładunku elektrycznym elektronu, a na jego spinie. Pojęcie spinu zostało wprowadzone w 1925 roku. Spin określa pewną integralną cechę cząstki elementarnej, związaną z jej momentem pędu i - ogólniej - z magnetyzmem (patrz ramka). Można go sobie wyobrazić jako pewien skwantowany wektor przyczepiony do elektronu i skierowany albo w górę, albo w dół - żaden inny kierunek spinu nie jest dozwolony. W przeciwieństwie do ładunku elektrycznego, który jest stały, spin elektronu może się w pewien sposób zmieniać. Ważne: zmianie podlega nie wartość spinu (gdyż jest stała, podobnie jak wartość ładunku elektrycznego), a kierunek jego wektora. Co to oznacza w praktyce? Ponieważ spin jest cechą związaną z obrotem, a elektron ma ładunek elektryczny, powstaje wokół niego niewielkie pole magnetyczne. W rezultacie dzięki spinowi elektron staje się małym magnesem, którego orientację w przestrzeni możemy kontrolować.

Znaczenie spinu w klasycznej elektronice jest żadne: elektrony tworzące prąd mają chaotyczną orientację spinów. Spintronika otwiera nowe możliwości. Elektron, który dotychczas nie niósł żadnej informacji (pojawiała się wskutek zmian prądu, nie samego ładunku elektronu!), teraz może ją przenosić. Można zatem budować struktury binarne wręcz w skali atomowej. Co więcej, przechowywana informacja nie musi być wyłącznie dwustanowa! W wypadku spinu w grę wchodzą efekty kwantowe i choć przyjmuje on dla elektronów tylko dwa stany wartości ("góra", "dół"), w praktyce możemy uzyskać niemal dowolną kwantową superpozycję tych stanów. Przypisując wyróżnionym stanom wartości liczbowe, zapiszemy w jednym bicie kwantowym (zwanym kubitem) znacznie więcej informacji niż standardowe 0 i 1. W jednym pomiarze fizycznym uzyskujemy liczbę informacji, której w tradycyjnej elektronice odpowiada znacznie więcej odczytów. W dodatku pojemność informacyjna nawet niewielkiego układu kubitów jest nieporównywalna do spotykanej w układach klasycznych. Przetwarzanie informacji zawartej jedynie w 100 kubitach wymaga operowania na macierzy 2100 x 2100! Efekty kwantowe nakładają tu, co prawda, istotne ograniczenia, ale i tak pojemność jest ogromna, daleko wykraczająca poza wydajność naszych komputerów.

Potencjalnie dzięki spintronice możemy budować komputery działające nawet tysiące razy szybciej od tradycyjnych, na dodatek zużywające znacznie mniej mocy i o ogromnej pojemności pamięci. Jest jedno ale: musimy opanować technologię pozwalającą operować spolaryzowanymi spinowo elektronami, przenosić je w tym stanie do materiałów oraz odpowiednio długo zachować ich polaryzację.

Warstwy metaliczne

Zasada działania pamięci MRAM. W zależności od wzajemnej konfiguracji magnetycznej warstw ferromagnetycznych poszczególne komórki pamięci stawiają różny opór, co pozwala na odczyt zapisanego w nich bitu. Zapis odbywa się poprzez operowanie orientacją magnetyczną jednej z warstw. Pamięci tego typu mają szansę trafić na rynek masowy już w tym roku.

Zasada działania pamięci MRAM. W zależności od wzajemnej konfiguracji magnetycznej warstw ferromagnetycznych poszczególne komórki pamięci stawiają różny opór, co pozwala na odczyt zapisanego w nich bitu. Zapis odbywa się poprzez operowanie orientacją magnetyczną jednej z warstw. Pamięci tego typu mają szansę trafić na rynek masowy już w tym roku.

Technologia spintroniczna trafiła już do naszych domów jakiś czas temu. Głowice współczesnych twardych dysków wykorzystują jedno z podstawowych zjawisk spintronicznych: tzw. gigantyczny magnetoopór (GMR - Gigantic Magnetoresistance). Efekt ten zaobserwowano już w 1988 roku w tak zwanych wielowarstwowych magnetycznych układach metalicznych. Ich budowa przypominała kanapkę: kolejne warstwy ferromagnetyku są odseparowane warstwami niemagnetycznymi. Początkowo wspomniane układy budowano z warstw żelaza przedzielonych warstwą chromu (Fe/Cr/Fe). Okazuje się, że opór takiego układu zależy od orientacji spinów w warstwach ferromagnetycznych: jest najniższy, gdy momenty magnetyczne w obu warstwach ferromagnetyków są zorientowane równoległe. Jeśli jednak są antyrównoległe (momenty magnetyczne skierowane przeciwnie), wówczas opór rośnie, gdyż elektrony o spinach przeciwnych niż orientacja warstwy ferromagnetycznej są rozpraszane.

W pierwszych trójwarstwowych układach Fe/Cr/Fe zmiana oporu wynosiła kilka procent, ale okazało się, że zwielokrotniając liczbę warstw można uzyskać wzrost do 50 procent, a inne materiały umożliwiają dojście nawet do 200 procent. W tym momencie dochodzimy do zasady, dzięki której GMR znalazł zastosowanie w głowicach dysków. Pole magnetyczne nośnika zmienia konfigurację magnetyczną jednej z warstw wewnątrz głowicy. W konfiguracji równoległej głowica stawia mały opór elektryczny, w konfiguracji antyrównoległej - duży, co pozwala na odczyt zapisanego bitu. Ponieważ GMR jest około 200 razy silniejszy od zwykłego magnetooporu, jego zastosowanie pozwoliło wielokrotnie zwiększyć gęstość zapisu danych na twardych dyskach, do pojemności rzędu 200 GB i większej. Pierwsze głowice firmy IBM wykorzystujące GMR trafiły na rynek już w 1997 roku.


Zobacz również