Η μαγνητική λογική δημιουργεί μεταβλητά τσιπ

Το λογισμικό μπορεί να μετατρέψει έναν υπολογιστή από επεξεργαστή κειμένου σε σπαστήρα αριθμών σε τηλέφωνο βίντεο. Αλλά το υποκείμενο υλικό παραμένει αμετάβλητο. Τώρα, ένας τύπος τρανζίστορ που μπορεί να εναλλάσσεται με μαγνητισμό αντί για ηλεκτρισμό θα μπορούσε επίσης να κάνει το κύκλωμα εύπλαστο, οδηγώντας σε πιο αποτελεσματικά και αξιόπιστα gadget, από έξυπνα τηλέφωνα έως δορυφόρους.

Τα τρανζίστορ, οι απλοί διακόπτες στην καρδιά όλων των σύγχρονων ηλεκτρονικών, χρησιμοποιούν γενικά μια μικροσκοπική τάση για εναλλαγή μεταξύ "on" και "off". Η προσέγγιση τάσης είναι εξαιρετικά αξιόπιστη και εύκολη στη μικρογραφία, αλλά έχει τα μειονεκτήματά της. Πρώτον, η διατήρηση της τάσης σε λειτουργία απαιτεί ισχύ, η οποία αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας του μικροτσίπ. Δεύτερον, τα τρανζίστορ πρέπει να είναι συνδεδεμένα σκληρά στα τσιπ και δεν μπορούν να ρυθμιστούν εκ νέου, πράγμα που σημαίνει ότι οι υπολογιστές χρειάζονται αποκλειστικό κύκλωμα για όλες τις λειτουργίες τους.

Μια ερευνητική ομάδα με έδρα το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κορέας (KIST) στη Σεούλ της Νότιας Κορέας, έχει αναπτύξει ένα κύκλωμα που μπορεί να ξεπεράσει αυτά τα προβλήματα. Η συσκευή, που περιγράφεται σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στον ιστότοπο της Nature στις 30 Ιανουαρίου, χρησιμοποιεί μαγνητισμό για να ελέγξει τη ροή ηλεκτρονίων μέσω μιας μικροσκοπικής γέφυρας του ημιαγώγιμου υλικού αντιμονιούχου ινδίου (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Είναι «μια νέα και ενδιαφέρουσα ανατροπή για το πώς να εφαρμόσετε μια λογική πύλη», λέει ο Gian Salis, ένας φυσικός στο Ερευνητικό Εργαστήριο της IBM στη Ζυρίχη στην Ελβετία.

Η γέφυρα έχει δύο στρώματα: ένα κατώτερο κατάστρωμα με περίσσεια θετικά φορτισμένων οπών και ένα ανώτερο κατάστρωμα γεμάτο κατά κύριο λόγο με αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Χάρη στις ασυνήθιστες ηλεκτρονικές ιδιότητες του αντιμονιδίου του ινδίου, οι ερευνητές μπορούν να ελέγξουν τη ροή των ηλεκτρονίων κατά μήκος της γέφυρας χρησιμοποιώντας ένα κάθετο μαγνητικό πεδίο. Όταν θέτουν το πεδίο προς μία κατεύθυνση, τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται από το θετικό κάτω κατάστρωμα και ρέουν ελεύθερα. Όταν το μαγνητικό πεδίο αναστρέφεται, τα ηλεκτρόνια συντρίβονται στο κάτω κατάστρωμα και ανασυνδυάζονται με τις οπές - κλείνοντας ουσιαστικά τον διακόπτη (βλ. "Μαγνητική κλειδαριά").

Η ικανότητα μιας μαγνητικής λογικής πύλης να κρατά τον διακόπτη σε λειτουργία ή απενεργοποίηση χωρίς τάση «θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Jin Dong Song, φυσικός στο KIST. Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι οι μαγνητικές διακόπτες «μπορούν να χειριστούν σαν λογισμικό», λέει, απλώς αναστρέφοντας το πεδίο για να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε ένα κύκλωμα. Έτσι, ένα κινητό τηλέφωνο θα μπορούσε, για παράδειγμα, να επαναπρογραμματίσει λίγο από το μικροκύκλωμά του για να επεξεργαστεί βίντεο ενώ ο χρήστης του παρακολουθούσε ένα κλιπ στο YouTube, και στη συνέχεια να επιστρέψει το τσιπ σε επεξεργασία σήματος για να λάβει μια τηλεφωνική κλήση. Αυτό θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τον όγκο του κυκλώματος που απαιτείται μέσα στο τηλέφωνο.
Μια τέτοια επαναδιαμορφώσιμη λογική θα μπορούσε να είναι ανεκτίμητη στους δορυφόρους, προσθέτει ο Mark Johnson του Ναυτικού Ερευνητικού Εργαστηρίου στην Ουάσιγκτον, συν-συγγραφέας της εργασίας. Εάν μέρος ενός τσιπ αποτύχει σε τροχιά, ένας άλλος τομέας θα μπορούσε απλώς να επαναπρογραμματιστεί για να αναλάβει. «Έχετε θεραπεύσει το κύκλωμα και το κάνατε από τη Γη», λέει.
Για να το πιάσουμε πραγματικά, ωστόσο, η μαγνητική λογική θα πρέπει να ενσωματωθεί με τις υπάρχουσες τεχνολογίες που βασίζονται στο πυρίτιο. Αυτό μπορεί να μην είναι εύκολο. Πρώτον, το αντιμονίδιο του ινδίου, ο ημιαγωγός που είναι κρίσιμος για τα κυκλώματα, δεν προσφέρεται καλά για τις διαδικασίες παραγωγής που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή σύγχρονων ηλεκτρονικών, σύμφωνα με τον Junichi Murota, ερευνητή που εργάζεται με τη νανοηλεκτρονική στο Πανεπιστήμιο Tohoku στην Ιαπωνία. Αλλά ο Johnson λέει ότι μπορεί τελικά να είναι δυνατό να κατασκευαστούν παρόμοιες γέφυρες με πυρίτιο.

Η ενσωμάτωση των μικροσκοπικών μαγνητών που απαιτούνται για τον έλεγχο των συσκευών σε ένα κανονικό τσιπ δεν θα ήταν εύκολη. Οι εταιρείες θα πρέπει να είναι σε θέση να λύσουν αυτές τις προκλήσεις, αλλά μόνο εάν αποφασίσουν ότι οι συσκευές αξίζουν τον κόπο, λέει ο Salis. Προς το παρόν, προσθέτει, δεν είναι σαφές εάν οι συσκευές θα έχουν καλή απόδοση στα μεγέθη που απαιτούνται για ένα πρακτικό τσιπ – πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις μικρομέτρων των πρωτοτύπων.

Αλλά ο Johnson σημειώνει ότι ο μαγνητισμός πιάνει ήδη στο σχεδιασμό κυκλωμάτων: ορισμένες προηγμένες συσκευές αρχίζουν να χρησιμοποιούν μια μαγνητική έκδοση μνήμης τυχαίας πρόσβασης, έναν τύπο μνήμης που ιστορικά κατασκευάστηκε μόνο με συμβατικά τρανζίστορ. «Νομίζω ότι μια αλλαγή βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη», λέει.