ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Κυριακή 17 Φλεβάρη 2002
Σελ. /24
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΕΠΙΣΤΗΜΗ
ΣΠΙΝΤΡΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ
Το μαγνητικό προφίλ του ηλεκτρονίου, θεμέλιο νέου τύπου υπολογιστών

Το σπιντρονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα M-RAM της IBM αποθηκεύει δεδομένα χωρίς να καταναλώνει ενέργεια. Τέλος στις άδειες μπαταρίες και στους μεγάλους χρόνους εκκίνησης των ηλεκτρονικών υπολογιστών;
Το σπιντρονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα M-RAM της IBM αποθηκεύει δεδομένα χωρίς να καταναλώνει ενέργεια. Τέλος στις άδειες μπαταρίες και στους μεγάλους χρόνους εκκίνησης των ηλεκτρονικών υπολογιστών;
Κάθε σύγχρονη συσκευή, από τη φρυγανιέρα μέχρι το φορητό υπολογιστή, στηρίζει τη λειτουργία της σε μια ιδιότητα ενός και μόνο υποατομικού σωματιδίου: το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου. Η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από τη διαφορετική ποσότητα φορτίων μεταξύ δύο σημείων, είναι που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια, φορείς του ηλεκτρικού φορτίου, είναι εκείνο που ρέει μέσα από ένα λαβύρινθο συρμάτων για να κάνει θαυμαστά πράγματα, όπως η ενεργοποίηση ενός θερμαντικού στοιχείου ή η κωδικοποίηση δεδομένων. Αλλά, μια άλλη ιδιότητα του ηλεκτρονίου, το σπιν (ιδιοστροφορμή) θα μπορούσε να διευρύνει σημαντικά τη χρησιμότητα του ηλεκτρονίου. Προχωρώντας πέρα από τα σημερινά ηλεκτρονικά, η σπιντρονική τεχνολογία (κατά το ηλεκτρονική τεχνολογία) ίσως σύντομα επιτρέψει την αποθήκευση ολόκληρων κινηματογραφικών έργων σε υπολογιστές παλάμης, ή ακόμη και την κατασκευή ενός νέου είδους υπολογιστών.

Η αρχή στην οποία βασίζεται αυτή η τεχνολογία είναι απατηλά απλή. Αγνοώντας προς στιγμή τις παραξενιές του κβαντικού κόσμου, το ηλεκτρόνιο μπορεί να θεωρηθεί σαν μια μικροσκοπική μαγνητική ράβδος με δύο δυνατές θέσεις: σπιν-πάνω και σπιν-κάτω. Οι μηχανικοί μπορούν να διακρίνουν αυτές τις δύο θέσεις ανάλογα με τον αντίστοιχο προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου του ηλεκτρονίου: βόρειος μαγνητικός πόλος-πάνω, βόρειος μαγνητικός πόλος-κάτω. Ενα κατάλληλα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μπορεί να μεταστρέψει τα ηλεκτρόνια από τη μια κατάσταση σπιν στην άλλη. Ετσι, το σπιν μπορεί να μετρηθεί και να χειραγωγηθεί ώστε να αντιπροσωπεύσει τα 0 και 1 του ψηφιακού προγραμματισμού, κατ' ανάλογο τρόπο με τις καταστάσεις «έχει ρεύμα», «δεν έχει ρεύμα» των συμβατικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πυριτίου.

Με την ευρεία έννοια, η πρώτη εφαρμογή τεχνολογίας που σχετίζεται με το σπιν ήταν η πυξίδα, ένα κομμάτι μετάλλου στο οποίο τα σπιν των ηλεκτρονίων δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση με αποτέλεσμα να δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Αυτό το πεδίο, στη συνέχεια, προσπαθεί να ευθυγραμμιστεί με το μαγνητικό πεδίο της Γης. «Χρησιμοποιούσαμε το σπιν ανέκαθεν. Ο μαγνητισμός προκύπτει από το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια έχουν σπιν», λέει ο Σάνκαρ Ντας Σάρμα, καθηγητής φυσικής που ηγήθηκε της ομάδας σπιντρονικής του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ. Αλλά η αξιοποίηση των μαγνητικών ιδιοτήτων του ηλεκτρονίου δεν μπορεί να θεωρηθεί ακριβώς σπιντρονική, λέει ο Σάρμα, μέχρι να αρχίσεις ηθελημένα να αλλάζεις το σπιν των σωματιδίων προς τη μια ή την άλλη κατεύθυνση και μέχρι να μπορέσεις να το μεταφέρεις από το ένα υλικό στο άλλο.

Οι πρώτες σημαντικές ανακαλύψεις στον τομέα αυτό έγιναν στο Ερευνητικό Κέντρο Αλμάντεν της IBM, πριν από μια δεκαετία, όταν ειδικοί της επιστήμης υλικών προσπάθησαν να βρουν τρόπους για να χωρέσουν ακόμα περισσότερα δεδομένα στους σκληρούς δίσκους των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι σκληροί δίσκοι αποτυπώνουν τα δεδομένα σαν μεταβολές του μαγνητικού πεδίου του υλικού τους σε μικροσκοπική κλίμακα. Η ανάγνωση των δεδομένων γίνεται με μετακίνηση ενός πηνίου πάνω από τις περιοχές που έχει γίνει η αποτύπωση, οπότε δημιουργούνται ηλεκτρικά ρεύματα μέσα σ' αυτό, των οποίων η πολικότητα αντιστοιχεί στην πολικότητα του μαγνητικού πεδίου.

Η δουλιά στο Αλμάντεν στηρίχτηκε στην εργασία δύο ευρωπαϊκών ερευνητικών ομάδων, που το 1988 είχαν ανακαλύψει ένα φαινόμενο σχετιζόμενο με το σπιν, γνωστό ως γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση. Ξεκινώντας με ένα μαγνητικό υλικό του οποίου τα σπιν έχουν «κλειδωθεί» όλα προς μια κατεύθυνση, οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα λεπτό στρώμα μετάλλου και από πάνω του έβαλαν ένα ακόμα στρώμα από υλικό του οποίου τα σπιν μπορούν να αλλάξουν. Το ρεύμα έρεε εύκολα από την κορυφή ως τον πάτο αυτού του σάντουιτς μόνο όταν τα σπιν τόσο στο επάνω όσο και στο κάτω στρώμα τύχαινε να βλέπουν προς την ίδια κατεύθυνση. Αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα συναντούσε σημαντική αντίσταση αν τα σπιν ήταν αντίθετα. Θεωρητικά, μια τέτοια διάταξη επέτρεπε την ανάγνωση των αποτυπωμένων δεδομένων με πολύ μεγαλύτερη ευαισθησία, αλλά δυστυχώς η γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση φαινόταν να εμφανίζεται μόνο σε πολύ ακριβούς, εντελώς καθαρούς κρυστάλλους όταν εκτίθενται σε έντονα μαγνητικά πεδία.

Το 1991, η ομάδα του Αλμάντεν διαπίστωσε το ίδιο φαινόμενο σε πιο φτηνά υλικά, που αντιδρούσαν σε πιο ήπια πεδία. Τελικά, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατασκευάσουν μια μαγνητική κεφαλή που αποτελούνταν από ένα από αυτά τα σπιντρονικά σάντουιτς. Οι μαγνητισμένες λωρίδες στην επιφάνεια του περιστρεφόμενου σκληρού δίσκου άλλαζαν το σπιν στην κεφαλή, μεταδίδοντας τα ψηφιακά δεδομένα. Μια σπιντρονική κεφαλή μπορεί να ανιχνεύσει πολύ ασθενέστερα μαγνητικά πεδία απ' ό,τι οι παλιότερες συσκευές, έτσι κάθε ελάχιστη μονάδα πληροφορίας (bit) μπορούσε να αποτυπώνεται σε μικρότερο χώρο πάνω στο δίσκο. Χάρη στη σπιντρονική, οι σημερινοί σκληροί δίσκοι των υπολογιστών έχουν χωρητικότητα 100 γιγαμπάιτ (δισεκατ. ψηφιολέξεις), σε σύγκριση με 1 γιγαμπάιτ πριν από 5 χρόνια.

Τώρα, ερευνητές του Αλμάντεν μαζί με άλλους από μια ομάδα εταιρειών, αλλά και το Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ προσπαθούν να κατασκευάσουν σπιντρονική μνήμη για υπολογιστές, γνωστή και ως μαγνητική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (M-RAM). Ενα πρωτότυπο που έχουν ήδη στα χέρια τους περιέχει μια σειρά από μικροσκοπικά μαγνητικά σάντουιτς, τοποθετημένα πάνω σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου και περικυκλωμένα από διασταυρούμενα πλέγματα από μικροσκοπικά σύρματα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσα από τα σύρματα αυτά, μεταβάλλει το σπιν του σπιντρονικού υλικού, το οποίο παραμένει ως έχει μέχρι να αλλαχτεί από μια νέα ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Μετρώντας την ηλεκτρική αντίσταση ενός συγκεκριμένου σάντουιτς, μπορεί κανείς να καταλάβει αν αντιστοιχεί σε 1 ή σε 0.

Στους συμβατικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές η μνήμη τυχαίας προσπέλασης (που περιέχει δεδομένα διαθέσιμα μόνο όσο ο υπολογιστής είναι αναμμένος) φρεσκάρεται 60 φορές το δευτερόλεπτο από μια ριπή ηλεκτρικού ρεύματος. Αντίθετα, η M-RAM δεν έχει σχεδόν καθόλου ηλεκτρικές απαιτήσεις. Γι' αυτό ακριβώς η NASA δείχνει ενδιαφέρον να τη χρησιμοποιήσει για την κατασκευή διαστημοπλοίων και δορυφόρων που θα έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και θα κάνουν περισσότερα πράγματα χωρίς να καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια. Σε πιο προσγειωμένες εφαρμογές, η M-RAM ίσως οδηγήσει σε υπολογιστές που θα έρχονται σε κατάσταση λειτουργίας ακαριαία μόλις τροφοδοτηθούν με ρεύμα ή και σε κινητά τηλέφωνα με τόση ενσωματωμένη μνήμη, που θα μπορούσαν να μαγνητοφωνήσουν μακρόχρονες συνομιλίες.

Στο βάθος του τούνελ των εφαρμογών της σπιντρονικής βρίσκονται οι κβαντικοί υπολογιστές, ένας ριζικά νέος τύπος υπολογιστών. Το διαφορετικό με αυτούς είναι ότι αντί να εξετάζουν κάθε πιθανή λύση ξεχωριστά, έχουν τη δυνατότητα να τις εξετάσουν όλες μονομιάς. Ομως, όπως πιστεύει ο Σάρμα, αν δεν υπάρξει κάποια ριζοσπαστική εξέλιξη στον τομέα, ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής δε θα κατασκευαστεί πριν περάσουν πάνω από 50 χρόνια. Πολύ πριν από τότε, οι δυνατότητες της σπιντρονικής μπορεί να καρπίσουν σε άλλους τομείς της ηλεκτρονικής. Πρόσφατα, ομάδα ερευνητών έκανε με επιτυχία το πρώτο βήμα στην κατεύθυνση των τρανζίστορ με σπιντρονική διαμεσολάβηση πετυχαίνοντας να μετακινήσουν ένα νέφος ηλεκτρονίων με προσανατολισμένο σπιν από ένα ημιαγωγό σ' έναν άλλο, χωρίς το νέφος των ηλεκτρονίων να αλλάξει κατάσταση σπιν. Τα σπιντρονικά τρανζίστορ θα οδηγήσουν σε πιο γρήγορες, μικρότερες και λιγότερο ενεργειοβόρες συσκευές και ποιος ξέρει τι άλλο ακόμα, που δεν μπορούμε να φανταστούμε σήμερα.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Discover»




Διαβάστε στο «Ρ»
Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org