Imec en Intel-onderzoekers ontwikkelen Spintronic Logic Device

Spintronica-apparaten verbruiken veel minder stroom dan hun CMOS-tegenhangers en behouden hun gegevens ook als het apparaat is uitgeschakeld. Spin wordt al in het geheugen gebruikt, zoals magnetoresistive RAM (MRAM). Het manipuleren van minuscule magnetische effecten om logische bewerkingen uit te voeren, is echter moeilijker.

Nu hebben onderzoekers van imec en Intel een spintronisch logisch apparaat gemaakt dat volledig kan worden aangestuurd met elektrische stroom in plaats van met magnetische velden. De spin van een elektron genereert een magnetisch moment. Wanneer veel elektronen met identieke spins dicht bij elkaar zijn, kunnen deze hun krachten bundelen om een ​​groter magnetisch veld te vormen. Zo’n regio wordt een magnetisch domein genoemd en de grenzen tussen domeinen worden domeinwanden genoemd. Een materiaal kan uit veel van dergelijke domeinen en domeinwanden bestaan, samengesteld als een gemagnetiseerd mozaïek.

 Apparaten kunnen nullen en enen in die domeinen coderen. Een domein dat ‘omhoog’ wijst, zou een 0 kunnen zijn, terwijl een ‘omlaag’ een 1 vertegenwoordigt. Het nieuwe apparaat gebruikt domeinen die in een enkele lijn nanodraad zijn geplaatst. Het apparaat gebruikt vervolgens stroom om die domeinen en hun muren langs de draad te verplaatsen, als treinen over het spoor.

De draad ontmoet de ‘wissel’ bij een magnetische tunnelovergang (MTJ). Deze is vergelijkbaar met de read-heads van de huidige harde schijven, maar de onderzoekers hebben een nieuw type MTJ geïmplementeerd dat is geoptimaliseerd om de domeinwanden sneller te verplaatsen. De MTJ’s lezen informatie van de track en fungeren als logische inputs.

De MTJ is ook waar informatie in de track wordt geschreven. Dit doet het apparaat met dezelfde technologie die vandaag in MRAM wordt gebruikt. Het voert een spin-gepolariseerde stroom – waarvan de meeste elektronen in één richting draaien – door een magnetisch domein. Die stroom kan de richting van het magnetische veld opnieuw uitlijnen en daarbij domeinwanden creëren of bewerken.

Dit proces is vergelijkbaar met racetrack memory, een experimentele vorm van gegevensopslag die meer dan tien jaar geleden voor het eerst werd voorgesteld. Racetrack-geheugen schrijft ook informatie naar magnetische domeinen en gebruikt stroom om die domeinen langs een nanodraad of ‘racetrack’ te verplaatsen. Intel en imec profiteren echter van de vooruitgang in materialen, waardoor domeinmuren veel sneller langs de lijn kunnen bewegen. Dit, zeggen de onderzoekers, is de sleutel die logica toelaat.

Schematische weergave van een 2TOC DRAM cel