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Una nuova svolta nell'informatica
È in corso uno sforzo crescente tra i ricercatori per trovare un modo per rendere pratica la spintronica, la manipolazione dello spin degli elettroni per fare informatica. La promessa è chiara: la spintronica potrebbe portare a computer che si accendono istantaneamente e dispositivi elettronici che consumano molta meno batteria, oltre a superare i limiti incombenti della legge di Moore. Ma anche le sfide nell'uso della spintronica per le operazioni logiche sono scoraggianti. Non ultimo tra questi è trovare il materiale giusto per costruire circuiti pratici. Da diversi anni i ricercatori studiano semiconduttori come l'arseniuro di gallio, drogato con elementi come il manganese per renderli magnetici. Ma funzionano solo a temperature inferiori a meno 120 °C, quasi un'opzione per i computer di tutti i giorni.
Ricercatore del MIT Jagadeesh Moodera e il suo team hanno sviluppato un materiale che funziona a temperatura ambiente ed è facile da creare. Il materiale è ossido di indio, che è simile al materiale utilizzato per condurre la carica nel touch screen di un bancomat, con una piccola quantità di cromo aggiunta per renderlo magnetico. Altri materiali che potrebbero funzionare, afferma Moodera, includono l'ossido di zinco, ampiamente utilizzato nella protezione solare, e l'ossido di titanio. Il semiconduttore magnetico polarizzerebbe lo spin degli elettroni, che poi fluirebbero nel chip di silicio dove i circuiti li userebbero per eseguire calcoli, mentre un rivelatore, probabilmente realizzato con lo stesso materiale dell'iniettore di spin, li leggerebbe mentre fuoriescono.
Il materiale necessita di ulteriori sviluppi prima di poter essere testato in un circuito reale. Ma Don Heiman , un professore di fisica alla Northeastern University, definisce la creazione di un semiconduttore magnetico che funziona a temperatura ambiente una svolta piuttosto grande.
In effetti, dice Moodera, ci sono diversi anni di lavoro da fare per costruire un pratico chip per computer basato sulla spintronica. Ad esempio, non è chiaro come interagiscono il silicio e l'ossido di indio nel punto in cui si toccano. È molto difficile controllare la forma del materiale in corrispondenza di quell'interfaccia, che è spessa circa due strati atomici, ed è possibile che le differenze tra i due materiali possano causare la perdita di polarizzazione degli spin degli elettroni. Ci vorrà una buona dose di ricerca di base solo per capire cosa succede nell'interfaccia, dice Moodera, e più lavoro per imparare a controllarla. E una volta costruito un iniettore di spin funzionante, i ricercatori dovranno ancora progettare un rilevatore di spin e il transistor.
I circuiti basati su spin sono intriganti perché aggiungono una nuova dimensione all'informatica. Mentre il calcolo elettronico si basa sulla carica negativa dell'elettrone, la rapida attivazione e disattivazione della corrente per rendere la uno sabbia 0 s del mondo digitale, la spintronica si basa sulla crescente capacità degli scienziati di manipolare un'altra proprietà quantomeccanica dell'elettrone, una proprietà nota come spin. Questo è importante per un'industria di chip per computer che sta cercando un momento in cui non sarà in grado di rendere i circuiti più piccoli. Gli attuali chip per computer utilizzano transistor al silicio inscritti con linee spesse meno di 100 nanometri. I produttori di chip continuano a ridurre le dimensioni dei transistor per stiparne di più su un chip, ma una volta che scendono a pochi nanometri, inizieranno a perdere elettroni. Moodera e altri sperano che la spintronica consentirà loro di fare più calcoli con lo stesso numero di transistor.
In un normale semiconduttore, lo spin di un elettrone è disposto casualmente; uno indica in questo modo, uno indica quello. Ma quando la maggior parte degli elettroni ha lo stesso spin, il risultato è un campo magnetico. Ciò significa che qualsiasi chip di computer in cui sono controllati gli spin può funzionare come una memoria non volatile, perché lo spin rimane lo stesso fino a quando una forza esterna agisce per cambiarlo. Poiché la memoria è non volatile, il che significa che non richiede un flusso di corrente per continuare ad aggiornare le informazioni, utilizza molta meno energia elettrica, consentendo alle batterie di durare più a lungo e riducendo la possibilità di surriscaldamento. Consente inoltre a un transistor di utilizzare sia la carica che la rotazione e di funzionare sia come porta logica che come memoria. Un chip per computer potrebbe eseguire tutte le stesse attività con meno circuiti, lasciando spazio per aggiungere circuiti aggiuntivi senza dover rendere i dispositivi ancora più piccoli.
Esistono già dispositivi spintronici; i dischi rigidi memorizzano molte più informazioni rispetto a un decennio fa, perché Moodera e altri hanno sviluppato testine di lettura basate su spintronica in grado di rilevare piccoli cambiamenti nel magnetismo, consentendo di raggruppare nello stesso spazio blocchi di dati più abbondanti e più piccoli. E una società ha iniziato a vendere memorie magnetiche ad accesso casuale, un'altra tecnologia basata su spin, che non richiede un flusso di corrente per memorizzare i dati.
Ma per applicare la spintronica ai circuiti logici, gli scienziati devono capire come inserire lo spin che desiderano nel transistor e come rilevarlo dall'altra parte una volta che il circuito lo ha manipolato. Vogliono un film sottile che possono posizionare sopra il semiconduttore e in cui possono usare il campo magnetico per allineare lo spin degli elettroni, prima di trasportare quegli elettroni allineati nel semiconduttore. L'ossido di indio di Moodera è un potenziale candidato per un film del genere, una volta che lo ha compreso appieno e può capire come ottimizzarlo.
Moodera non è disposto a prevedere quanto tempo ci vorrà per costruire un pratico circuito spintronico, sebbene stimi che migliaia di scienziati negli Stati Uniti, in Asia e in Europa ci stiano lavorando: potrebbero essere 10 anni, potrebbero essere sei. È difficile da dire. Ma sottolinea come la spintronica abbia migliorato i dischi rigidi da capacità di pochi megabyte 15 anni fa, quando nessuno aveva nemmeno pensato di usare la spintronica, agli attuali iPod che ti permettono di portare in tasca un'unità da 60 gigabyte. Sono un ricercatore ottimista, dice.