Gegevensverwerking bereikt kleinste dimensie: Geïntegreerde „Nano-kring” uit zuivere magnonen

Afbeelding 1: De richtkoppelaar is weergegeven met zichtbare atoomstructuur. De spingolf springt van een nanodraadleiding naar een andere nanodraadleiding – daar waar de leidingen elkaar naderen. (Niels Paul Bethe, SYNC audiovisueel ontwerp)

Fig. 2: De hoofdfunctionaliteit van de nanoscoopische richtkoppeling bestaat eruit dat hij een spingolf afhankelijk van zijn frequentie, intensiteit of het aangelegde magnetisch veld naar verschillende uitgangen kan leiden. (Qi Wang, Universiteit van Wenen)

Onderzoekers onder leiding van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) en de Universiteit Wenen zijn erin geslaagd de bouwsteen te ontwikkelen voor een nieuwe soort computerschakeling: in plaats van elektronen nemen magnonen op nanoschaal de informatieoverdracht over. De zogenaamde “magnonische halveerder”, beschreven in het vakblad Nature Electronics, heeft slechts drie nanodraden nodig en verbruikt aanzienlijk minder energie dan moderne computerchips.

Een team van natuurkundigen heeft een mijlpaal bereikt in de zoektocht naar kleinere en energiezuinigere componenten voor door computers gestuurde gegevensverwerking: gezamenlijk hebben ze een geïntegreerde schakeling ontwikkeld uit magnetisch materiaal en magnonen. Hiermee kunnen binaire gegevens – een reeks van enen en nullen – worden overgedragen, waarop de basis taal van de hedendaagse computers en smartphones is gebaseerd.

De nieuwe schakeling is extreem klein en vertoont een gestroomlijnd 2D-ontwerp dat ongeveer tien keer minder energie verbruikt dan moderne CMOS-technologie gebruikte chips. Hoewel de huidige magnon-prototype niet zo snel is als het CMOS-systeem, opent de succesvolle demonstratie nu de mogelijkheid om de magnonische halveerder verder te onderzoeken voor toepassingen in kwantum- of neuromorfe computing.

Succesvolle samenwerking

Het prototype is het resultaat van vier jaar onderzoek, gefinancierd door een Starting Grant van de Europese Raad voor Onderzoek (ERC) voor Andrii Chumak. Betrokken waren onder andere Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro van de TUK en Dr. Qi Wang, die momenteel als postdoc werkzaam is aan de Universiteit Wenen. Univ.-Prof. Chumak begon het werk aan de TUK en leidt nu een onderzoeksgroep aan de Universiteit Wenen.

“We zijn erg blij dat het ons, na enkele jaren planning, nu gelukt is. En het resultaat is zelfs beter dan verwacht,” zegt Chumak. Het eerste ontwerp voor de magnonische schakeling was nog zeer complex. Dank gaat uit naar Wang, de hoofdauteur van het werk, die het ontwerp tijdens het project “minimaal honderd keer beter” heeft gemaakt. “We zien nu dat magnon-gebaseerde schakelingen net zo goed kunnen zijn als CMOS. Maar dat is helaas nog niet genoeg om de industrie te enthousiasmeren. Daarvoor zou onze schakeling waarschijnlijk minstens honderd keer kleiner moeten zijn en honderd keer sneller werken,” zegt Chumak. “Desalniettemin opent onze component fantastische mogelijkheden buiten binaire gegevens, bijvoorbeeld voor kwantummagnonisch rekenen bij zeer lage temperaturen. Pirro voegt toe: “We zijn ook geïnteresseerd in het aanpassen van de schakeling voor neuromorfe magnonische computers, die gebaseerd zijn op de werking van ons brein.”

Hoe het werkt

De componenten van de nanoschakeling meten minder dan een micrometer, zijn veel dunner dan een mensenhaar en nauwelijks zichtbaar onder de microscoop. De schakeling bestaat uit drie nanodraden van een magnetisch materiaal genaamd yttrium-ijzer-graniet. De draden worden dicht bij elkaar geplaatst om twee richtingskopplers te vormen die de magnonen door de draden leiden. Magnonen zijn kwantumdeeltjes van spingolven – je kunt ze vergelijken met golven op het oppervlak van een vijver nadat een steen is geworpen. In dit geval worden de golven echter gevormd door vervormingen in de magnetische orde van een vast materiaal op kwantumniveau. Het team heeft veel werk gestoken in het vinden van de optimale lengte van de nanodraden en de beste afstand tussen de draden om de gewenste resultaten te behalen. Wang werkte aan het project voor zijn doctoraat aan de TUK. “Ik heb enkele honderden simulaties uitgevoerd voor verschillende typen halveerders,” zegt hij. “Het huidige prototype is de derde of vierde versie.”

Bij de eerste koppelaar, waarbij twee draden heel dicht bij elkaar liggen, wordt de spin-golf in twee helften gedeeld. Eén helft gaat naar de tweede koppelaar, waar hij tussen de draden heen en weer springt. Afhankelijk van de amplitude verlaat de golf de boven- of onderdraad, wat overeenkomt met een binaire “1” of “0”. Omdat de schakeling twee richtingskopplers bevat die twee informatiestromen optellen, vormt hij een halveerder, een van de meest universele componenten van computerchips. Miljoenen van deze schakelingen kunnen worden gecombineerd om steeds complexere berekeningen en functies uit te voeren.

“Wat in normale computers doorgaans honderd componenten en 14 transistors vereist, heeft hier slechts drie nanodraden, een spin-golf en niet-lineaire fysica nodig,” vat Pirro samen.

Toekomstige toepassingen

Pirro, die momenteel aan de TUK het vakgebied spintronic computing (spintronische elektronica) leidt binnen het Speciale Onderzoeksgebied “Spin+X”, zal nu het gebruik van de magnonische schakeling voor neuromorfe berekeningen onderzoeken. Hierbij gaat het niet om gegevensverwerking volgens het binaire principe, maar om het nabootsen van de werking van de menselijke hersenen. Spingolven zijn namelijk veel geschikter voor een complexer en ruis-toleranter ontwerp. Ze bieden ook het potentieel om veel meer informatie te transporteren, omdat ze twee parameters hebben – de amplitude, oftewel de golfhoogte, en de fase, oftewel de golfhoek. Bij de huidige aanpak had het team de fase nog niet als variabele gebruikt, om het zo eenvoudig mogelijk te houden voor binaire gegevensverwerking.

“Als dit apparaat al kan concurreren met CMOS, zelfs zonder de volledige kracht van de golfgebaseerde aanpak te benutten, kunnen we er vrij zeker van zijn dat een concept dat het volledige scala aan spingolven benut, in specifieke gebieden efficiënter kan zijn dan CMOS,” zegt Pirro. “Het ultieme doel is natuurlijk het combineren van de sterke punten van CMOS- en magnon-technologie.”

Vragen beantwoorden:

Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro
Technische Universiteit Kaiserslautern  
Tel.: +49 631 205 4092   
E-mail: ppirro[a]physik.uni-kl.de

Univ.-Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Universiteit Wenen
Tel.: +43 1 4277-73910
E-mail: andrii.chumak[a]univie.ac.at