Протестовано логічні елементи «нанопроволочного» комп’ютера

Англійські дослідники пропонують для створення комп’ютерів нового покоління використовувати нанопроволоку. Принцип роботи логічних елементів таких комп’ютерів заснований на рухливості магнітних доменних стінок в магнітом’яких матеріалах.

1. схема елемента «Логічне НЕ» на магнітній нанопроволоці

Відомо, що ферромагнітний матеріал при температурах вище деякого критичного значення (температура Кюрі) розбивається на макроскопічні області (магнітні домени), намагніченість яких дорівнює за величиною, але має різні напрямки. При переході від одного домену до іншого напрямок намагниченості змінюється не стрибком, а безперервно: поворот вектора намаганості повинен бути поступовим. Такий перехідний шар, що розділяє сусідні домени з різними напрямками вектора намагніченості, називається доменною межею або стінкою. Якщо кристал поміщений у зовнішнє магнітне поле, межі між доменами прийдуть у рух, що призведе до збільшення розмірів одних доменів і зменшення інших. Цим ефектом пропонують скористатися вчені для створення логічних елементів [1, 2].

Анізотропія форми нанопроволоки призводить до того, що вектор намагніченості лежить уздовж дроту і може мати тільки два напрямки, які і формують базис двійкової логіки. Межа між доменами з двома протилежно спрямованими намагніченостями являє собою свого роду перемикач сигналів. Переміщувати стінку можна прикладаючи зовнішнє магнітне поле вздовж дроту. Використовуючи магнітне поле, що обертається в площині зразка, можна домогтися переміщення доменної межі через складну систему магнітних дротів.

На рис. 1а показано елемент «логічне НЕ», побудований з використанням магнітних нанопроволок. Припустимо, що магнітне поле обертається в площині зразка проти годинникової стрілки. За логічну «1», наприклад, приймається стан, коли вектор намагніченості спрямований у бік руху доменної стінки. При зміні напрямку магнітного поля від H_x до H_y доменна стінка переміщується з боку входу P (рис. 1б), проходить через перший кут між двома дротами і приходить в Q (рис. 1в). Тепер з’єднання P-Q буде намагатися безперервно (без доменного кордону). Якщо магнітне поле продовжує обертатися до — _Hx, доменна стінка пройде через другий кут (рис. 1г) і вийде в R (рис. 1д), встановивши безперервну намагніченість між P і Q. Таким чином, спробованість відразу за точкою з’єднання дріт стане спрямована протилежно до точки з’єднання, тобто реалізується операція логічного заперечення.

2. елемент «Логічне НЕ», реалізований на нанопроволоці пермалоя, і результат його роботи

Як робочий матеріал для створення нанопроволочних логічних елементів був використаний магнітом’який пермалою у вигляді плоскої нанопроволоки (рис. 2а), що виникають доменні стінки в якій мають оціночну товщину близько 100 нм. Вимірювання зміни вектора намагніченості проводилося з використанням магніто-оптичного ефекту Керра при кімнатних температурах. Результат роботи такого елемента показано на рис. 2б. Частота осциляцій поля становила 27 Гц. Попередні вимірювання показали, що час проходження доменної стінки через з’єднання становить від 0,1 до 2 нс і може збільшуватися через «зачеплення» стінки в місці з’єднання.

З використанням «логіки магнітних доменних стінок» були реалізовані й інші логічні елементи, а також побудовані «наномережі», що включають кілька різних елементів [2]. Перевага таких елементів у тому, що втрати енергії на одну операцію в них багато менше, ніж у звичайних CMOS (CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor — вдосконалена (компліментарна) структура побудови мікроелектронних схем на тришаровій (МОТ) основі метал-окисел-напівпровник: 10^-5 пкДж проти 10^-2 пкДж. Крім того, простота виготовлення логічних елементів на «доменній логіці» дозволяє створювати складні схеми в одній площині (наприклад, на м’якій підкладці), уникаючи необхідності багаторівневої металізації.

1. D. A. Allwood et al., Science 296 (2003), p. 2002.

2. D. A. Allwood et al., Science 309 (2005), p. 1688.

Андрій Сидоренко