بروید کنار، سویچ‌های سیلیکونی: راه جدیدی برای محاسبه وجود دارد.

توسط دانشکده مهندسی NYU Tandon
اعتبار: دامنه عمومی CC0

دستگاه های منطقی و حافظه، مانند دیسک های سخت در رایانه ها، از مکانیزم های نانو مغناطیسی برای ذخیره و دستکاری اطلاعات استفاده می کنند. بر خلاف ترانزیستورهای سیلیکونی که دارای محدودیت های کارآیی اساسی هستند، آنها به انرژی‌ای برای حفظ حالت مغناطیسی خود نیاز ندارند: انرژی فقط برای خواندن و نوشتن اطلاعات مورد نیاز است.
 
یک روش کنترل مغناطیس از جریان الکتریسیته استفاده می کند که اسپین را برای نوشتن اطلاعات حمل می کند، اما این معمولا مستلزم جاری شدن جریان الکتریکی است. از آنجا که این امر باعث تلفات گرما و انرژی می شود، هزینه ها می توانند بسیار زیاد باشند، به خصوص در مورد مزارع سرور بزرگ و یا در برنامه های کاربردی مانند هوش مصنوعی، که به مقدار زیادی از حافظه نیاز دارند. با این وجود، اسپین می تواند بدون یک شارژ با استفاده از یک عایق توپولوژیک – که ماده ای است که داخل آن عایق است اما می تواند جریان الکترون ها روی سطح را حمایت کند – منتقل شود.
 
محققانی از دانشگاه نیویورک در یک مقاله جدیدآً منتشر شده در مجله Physical Review Applied، یک سویچ اسپینی کنترل شده با ولتاژ (vTOPSS) را معرفی می کنند که به جای جریانات، تنها نیاز به میدان های الکتریکی دارند تا بین دو حالت منطقی بولی سویچ کنند، که این همراه است با کاهش قابل توجه  تولید گرما و انرژی استفاده شده. این تیم متشکل است از  شالو راخجه، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی NYU Tandon و اندرو د کنت، استاد فیزیک NYU و مدیر مرکز پدیده کوانتومی دانشگاه، همراه با مایکل E. Flatté ، استاد دانشگاه آیووا.
 
راخجه یک قیاس ساده را برای توضیح مؤثرتر تأثیر تعویض بین دو حالت به کار می گیرد. او می گوید: "تصور کنید قرار باشد غذایی را طبق یک دستور العمل تهیه کنید و لازم باشد هر وقت شما به یک جزء ترکیبی از غذا نیاز داشتید به اتاق دیگری بروید و سپس به آشپزخانه برگردید و آن را به غذا اضافه کنید." او ادامه می دهد: "این همان چیزی است که ناکارآمد است، زمانی که بخش های سخت افزاری محاسباتی مورد نیاز برای انجام محاسبه و بخش های لازم برای ذخیره آن به خوبی یکپارچه نیستند."
 
در حالی که دستگاه های مختلف–ساختاری مانند دستگاه های آنها، که از عایق مغناطیسی و عایق توپولوژیک درست شده اند، همچنان کمی کندتر از ترانزیستورهای سیلیکونی هستند، vTOPSS باعث افزایش قابلیت و امکان طراحی مدار می شود، زیرا منطق و حافظه های غیر فرّار را هم تلفیق می کند. راخجه می گوید: "این در نهایت یک موضوع مربوط به تجربه‌ی کاربر و ویژگی های اضافه شده است."
 
از آنجا که vTOPPS وابستگی به حافظه ابری را کاهش می دهد، همچنین دارای پتانسیل برای امن‌تر ساختن محاسبات است، زیرا هکرها مشکل بیشتری برای دسترسی به سخت افزار سیستم خواهند داشت. گام های بعدی شامل بهینه سازی بیشتر در مواد و طراحی سطح برای بهبود سرعت سوئیچینگ، و نیز توسعه نمونه های اولیه است.
 

 

 
یک روش میکروسکوپی جدید که توسط تیم ORNL تولید شده است دارای چهار نوک متحرک کاوشگر است، و حساس به چرخش الکترون های متحرک است، و نتایجی با وضوح بالا را تولید می کند. با استفاده از این روش، آنها رفتار الکتریکی الکترون را بر روی سطح ماده کوانتومی مشاهده کردند.
اعتبار: سابان هوس و آزمایشگاه ملی An-Ping Li / Oak Ridge، وزارت انرژی ایالات متحده
 
یک روش جدید که دقیقاً رفتار مرموز و خواص مغناطیسی الکترونهای جاری در عرض سطح مواد کوانتومی را اندازه گیری می کند، می تواند مسیری را برای الکترونیک نسل بعدی باز کند.
 
در قلب دستگاه های الکترونیکی، نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون، بر جریان الکتریکی کنترل شده‌ی مسئول برای تامین برق الکترونیک متکی هستند. این نیمه هادی ها تنها می توانند به بار الکترون ها برای انرژی دسترسی داشته باشند، اما الکترونها کاری بیشتر از حمل بار انجام می دهند. آنها همچنین دارای حرکت زاویه ای ذاتی هستند که به عنوان اسپین شناخته می شوند، که از ویژگیهای مواد کوانتومی است که در عین حال که فرّار است، می تواند برای ارتقاء وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد.
 
گروهی از دانشمندان به رهبری آنپینگ لی در آزمایشگاه ملی اوک ریج وزارت انرژی، یک تکنیک میکروسکوپی نوآورانه برای آشکار سازی اسپین الکترونها در عایق های توپولوژیکی، نوع جدیدی از مواد کوانتومی که می توانند در برنامه های کاربردی مانند اسپینترونیک و محاسبات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند، توسعه داده اند.
 
لی گفت: "جریان اسپین، یعنی کل حرکت زاویه ای الکترونهای متحرک، رفتاری در عایق های توپولوژیکی است که تا زمانی که یک روش حساس به اسپین ایجاد نشود، نمی تواند به حساب آید."
 
دستگاه های الکترونیکی همچنان به سرعت در حال تکامل هستند و نیاز به قدرت بیشترِ بسته بندی شده در قطعات کوچکتر دارند. این امر نیاز به جایگزین های ارزانتر و کارآتر در انرژی را برای الکترونیک مبتنی بر بار بر می انگیزد. دستگاه های مبتنی بر بار، کارایی انرژی کمتری نسبت به دستگاه های مبتنی بر اسپین دارند. عایق توپولوژیک جریان الکتریسیته را در امتداد سطح خود حمل می کند، در حالی که در عمقش، در داخل مواد تنه، به عنوان یک عایق عمل می کند. الکترون هایی که در سطح مواد جریان دارند، جهت چرخشی یکنواختی را نشان می دهند، بر خلاف نیمه هادی ها که الکترونها در جهات مختلف چرخش دارند.

 

 
یک تیم تحت رهبری ORNL با موفقیت به آشکار سازی و اندازه گیری ولتاژ ایجاد شده، همان طور که الکترون ها در حال نمایش رفتار ذره ای دم دمی به نام جریان اسپینی در حال حرکت در سراسر سطح مواد کوانتومی بودند، پرداخت.
اعتبار: سابان هوس و آزمایشگاه ملی An-Ping Li / Oak Ridge، وزارت انرژی ایالات متحده
 
لی گفت: "دستگاه های مبتنی بر بار، کارایی انرژی کمتری نسبت به دستگاه های مبتنی بر اسپین دارند." "برای این که اسپین ها بتوانند مفید باشند، ما باید هم جریان و هم جهت گیری آنها را کنترل کنیم."
 
برای شناسایی و درک بهتر این رفتار دمدمی ذرات، تیم نیاز به یک روش حساس به چرخش الکترونهای متحرک داشت. روش میکروسکوپی جدید آنها بر روی یک کریستال Bi2Te2Se، یک ماده حاوی بیسموت، تلوریوم و سلنیوم مورد آزمایش قرار گرفت. این روش اندازه گیری می کرد که چقدر ولتاژ در طول سطح ماده، همان طور که جریان الکترون ها بین نقاط خاص حرکت می کرد، تولید شده است، در حالی که ولتاژ برای هر اسپین الکترون را حس می کرد.
 

منبع: سایت فیز اُرگ