Pendekatan decoding data baru dapat menghasilkan teknologi digital yang lebih cepat dan lebih kecil – Majalah Time.com

  • Share


Fisikawan University of Nebraska–Lincoln telah memimpin spintronics, kelas penyimpanan dan pemrosesan data generasi berikutnya yang siap melengkapi elektronik digital yang telah menguasai ranah teknologi tinggi selama beberapa dekade.

Namun, di depan masa depan itu, muncul rintangan berskala nano yang ukurannya tidak sebanding dengan kesulitannya. Dengan angin hibah National Science Foundation senilai $20 juta di belakang mereka, para fisikawan mungkin sedang dalam perjalanan untuk mengatasi masalah yang sangat rumit: menemukan keteraturan di tengah ketidakteraturan dan data di tengah kekacauan yang tampak. Di luar rintangan itu ada dua hadiah, kepadatan dan kecepatan, yang bisa membuat perangkat modern terlihat rakus dan seperti kemalasan di belakang.

Pemintal angka

Elektronik membaca dan berbicara bahasa biner — 1s dan 0s — dengan mengukur muatan elektron yang mengalir melalui sirkuitnya. Spintronics berbeda dengan mengukur putaran elektron: properti yang berhubungan dengan magnet yang pada dasarnya menunjuk ke atas atau ke bawah. Perangkat yang fasih dalam kedua dialek biner dapat menyimpan dan memproses lebih banyak data, dengan kecepatan yang jauh lebih cepat, dengan daya yang jauh lebih sedikit daripada perangkat elektronik saja.

Sampai saat ini, sebagian besar memori elektronik dan spintronic mengandalkan feromagnet, jenis dengan medan magnet permanen yang mungkin paling dikenal untuk menyematkan foto ke lemari es. Dalam feromagnet, putaran setiap atom menunjuk ke arah yang sama, arah yang dapat diubah dengan menerapkan medan magnet eksternal.

Sifat-sifat itu membuat mereka populer di apa yang disebut persimpangan terowongan, di mana dua feromagnet diapit di sekitar penghalang isolasi, dengan elektron “terowongan” melalui penghalang itu untuk bergerak di antara feromagnet. Jika spin elektron cocok dengan orientasi spin feromagnet, elektron menghadapi hambatan kecil, meningkatkan kemungkinannya untuk menembus. Ketika putaran itu tidak cocok, kemungkinannya menurun, secara substansial mengurangi aliran arus listrik secara keseluruhan. Perbedaan antara kedua keadaan tersebut, yang dikenal sebagai efek magnetoresistance, dapat dibaca sebagai 1 vs. 0.

Untuk kerja feromagnet, sepupu mereka — antiferromagnet — bahkan lebih menjanjikan. Antiferromagnet menampung kolom atom yang berputar dengan arah yang berlawanan, yang berarti bahwa mereka hampir tidak menghasilkan medan magnet bersih. Tidak ada medan magnet berarti tidak ada kemungkinan persimpangan terowongan mengganggu keadaan magnet tetangga, memungkinkan para insinyur untuk mengemas lebih banyak elemen penyimpanan data ke dalam perangkat tanpa khawatir mereka merusak data satu sama lain.

Animasi sederhana yang menggambarkan bagaimana peralihan magnetik terjadi pada bahan feromagnetik dan antiferromagnetik. Kredit gambar: Scott Schrage | Komunikasi Universitas

Dan jika perangkat generasi berikutnya membutuhkan kecepatan, antiferromagnet lagi-lagi menjadi pilihan, kata Tsymbal. Putaran feromagnet dapat diubah hanya dalam nanodetik. Itu tampak cepat sampai menyadari bahwa semikonduktor dapat beroperasi pada kisaran picoseconds — picosecond adalah satu detik dan satu detik adalah 31.710 tahun — atau kira-kira 1.000 kali lebih cepat daripada yang dapat diubah oleh feromagnet. Antiferromagnets, sementara itu, dapat mengimbangi, menjadikannya kebanggaan tempat di perangkat yang jauh lebih cepat.

Hanya satu masalah sepele: Encoding atau decoding data dalam antiferromagnets bisa seperti mencoba menulis dengan pena kering atau menguraikan coretan seorang balita.

“Kesulitannya — dan ini adalah kesulitan yang signifikan — adalah bagaimana menulis dan membaca informasi,” kata Tsymbal, Profesor Fisika dan Astronomi Universitas George Holmes.

Properti antiferromagnetik yang sama yang bertindak sebagai pro dalam satu konteks – kurangnya medan magnet bersih yang mencegah korupsi data – menjadi penipu ketika harus benar-benar merekam data, kata Tsymbal. Menulis 1 atau 0 dalam feromagnet adalah masalah sederhana membalik orientasi putarannya, atau magnetisasi, melalui medan magnet lain. Itu tidak mungkin dalam antiferromagnet.

Dan sementara membaca keadaan putaran feromagnet sama mudahnya, tidak mudah membedakan antara keadaan putaran antiferromagnet — naik-turun vs. turun-naik — karena keduanya tidak menghasilkan magnetisasi bersih yang akan menghasilkan perbedaan aliran elektron yang terlihat. . Bersama-sama, fakta-fakta tersebut telah menghambat upaya untuk mengembangkan sambungan terowongan antiferromagnetik dengan penggunaan praktis dalam perangkat yang sebenarnya.

“Jadi ini salah satu masalahnya,” kata Tsymbal. “Tapi saya pikir kami telah mengusulkan cara yang sangat, sangat baik untuk memecahkan masalah ini.”

Menceritakan dari atas ke bawah

Pada prinsipnya, sambungan terowongan antiferromagnetik harus beroperasi agak mirip dengan sambungan feromagnetik. Alih-alih mengalihkan magnetisasi keseluruhan feromagnet untuk mengatur aliran elektron, versi antiferromagnetik bergantung pada modifikasi yang disebut vektor Néel: sumbu di mana putaran menunjuk ke satu arah atau yang lain.

Tetapi hanya jenis antiferromagnet tertentu yang cocok untuk mendeteksi perbedaan terkait spin dalam aliran elektron, yang didorong oleh ketidakcocokan antara vektor Néel di kedua ujung persimpangan terowongan. Rahasia antiferromagnet itu? Saluran khusus momentum di mana elektron spin-up atau spin-down akan mengalir secara dominan.

Tsymbal, Shao dan rekan mengidentifikasi rutenium oksida hanya sebagai antiferromagnet. Mereka menunjuk bahan lain, titanium dioksida, sebagai penghalang di mana elektron dapat menembus. Secara kritis, atom dari dua oksida masing-masing membentuk struktur kristal yang sama, menghasilkan kecocokan tanpa batas yang memungkinkan elektron mempertahankan momentumnya — dan putarannya yang bergantung pada momentum — saat mereka bergerak di antara material.

Dengan memfaktorkan momentum tersebut ke dalam analisis arus listrik yang dihasilkan, tim Husker telah menunjukkan bahwa mungkin untuk membedakan antara saluran dan, akibatnya, tanggapan mereka terhadap berbagai vektor Néel. Menurut perhitungan tim, efek magnetoresistansi khusus saluran itu serupa besarnya dengan yang dihasilkan oleh persimpangan terowongan feromagnetik – menandainya sebagai sarana yang sangat menjanjikan untuk menulis data spintronik yang juga dapat dibaca.

Seperti yang telah dilakukan ahli teori di masa lalu, Tsymbal bekerja sama dengan Chang-Beom Eom dari Universitas Wisconsin-Madison dan eksperimentalis lain yang dapat membuat dan menguji sambungan terowongan antiferromagnetik. Dia dan sesama anggota Pusat Bahan dan Nanosains Nebraska juga sibuk mempertimbangkan bahan lain yang memiliki karakteristik rutenium oksida yang tidak biasa tetapi tidak unik.

“Tidak banyak antiferromagnet yang memiliki sifat ini, tetapi ada beberapa di antaranya,” kata Tsymbal. “Dan kami juga akan melihat bahan-bahan ini di masa depan.”

Sumber: Universitas Nebraska-Lincoln





Source link

banner 120x600
  • Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *