Zaczęło się od spintroniki
W układach półprzewodnikowych, takich jak np. procesory, odpowiednie sterowanie przepływem ładunku elektrycznego pozwala m.in. realizować operacje dodawania, odejmowania, mnożenia i inwersji. Służą do tego zbudowane z tranzystorów bramki logiczne. Obecnie produkowane półprzewodnikowe kości nie wykorzystują jednak całego potencjału drzemiącego w elektronach.
Jak wiadomo z lekcji fizyki, elektrony oprócz ładunku elektrycznego obdarzone są również spinem. Ów spin, w dużym uproszczeniu, związany jest z ruchem obrotowym elektronów wokół własnej osi – część z nich kręci się w “lewo”, a część w “prawo”. Te wirujące ładunki elektryczne wytwarzają własne pole magnetyczne. W materiałach ferromagnetycznych elektrony o tym samym spinie, a więc tym samym momencie magnetycznym, grupują się, tworząc małe, uporządkowane magnetycznie obszary nazywane domenami. Domeny te można z kolei wykorzystać do przetwarzania i przechowywania informacji – tym właśnie zajmuje się spintronika.
Magnetyczna ściana domen
Nanotechnologią i spintroniką zainteresowali się pracujący pod kierownictwem profesora Russella Cowburna naukowcy z angielskich uniwersytetów Durham University, Imperial College oraz University of Sheffield. To ta grupa uczonych stworzyła nanoprocesor magnetyczny, a wcześniej opracowała jego podstawowy element logiczny – magnetyczną bramkę NOT (tzw. inwerter).
Przy konstruowaniu inwertera wykorzystano właściwości magnetycznej ściany domenowej (ang. magnetic domain-wall), powstającej na skutek zbliżenia do siebie dwóch domen o przeciwnej biegunowości. Gdy taka ściana znajduje się w cienkim pasku ferromagnetyka (tzw. przewodzie ferromagnetycznym), wówczas zewnętrzne pole magnetyczne może swobodnie zmieniać jej położenie. Innymi słowy będzie ona “wędrować” w lewo lub w prawo wzdłuż przewodu. Ściana domenowa wytwarza też w ferromagnetyku pole o określonej polaryzacji. Polaryzację tę można zmienić na przeciwną, “odwracając” domeny wchodzące w skład ściany. No dobrze, ale jak te zjawiska fizyczne zaprząc do wykonywania operacji logicznych?
Jak się okazuje, nie jest to trudne – wystarczy tylko odpowiednio uformować przewód ferromagnetyczny. Brytyjczycy posłużyli się “kablem” w kształcie litery lambda. Zewnętrzne pole magnetyczne (patrz: rysunek) “przerzuca” ścianę domenową z jednego zbocza litery na drugie, zmieniając jednocześnie orientację domen. Jeżeli teraz biegunowość zewnętrznego pola zwiąże się z polaryzacją wewnątrz przewodu ferromagnetycznego, to każda zmiana zewnętrznego pola skutkować będzie odwrotną zmianą biegunowości wewnątrz. Mamy więc poprawnie działającą magnetyczną bramkę NOT.
Od bramki do procesora
Największym problemem zespołu brytyjskich naukowców stało się spięcie pojedynczych struktur logicznych w całość. W 2002 roku skonstruowali oni 13-bitowy rejestr, łącząc inwertery szeregowo ze sobą. Przez ostatnie lata badacze pracowali nad dalszymi możliwościami scalania elementów logicznych w jeden układ magnetyczny. Sztuka ta się udała i w październiku zaprezentowany został pierwszy procesor magnetyczny.
Podstawową zaletą magnetycznych chipów jest to, że nie wydzielają one ciepła. Teoretycznie nie będzie więc problemów z chłodzeniem magnetycznych pecetów. Kolejnymi zaletami układów magnetycznych są ich odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i prosta konstrukcja – do ich wytwarzania wykorzystuje się wyłącznie warstwy metali. Zdaniem profesora Cowburna magnetyczne chipy można będzie zaszywać np. w ubraniu, dołączać do gazet czy wykorzystać do sterowania urządzeniami AGD. Układy magnetyczne nie powinny kosztować więcej niż kilka dolarów.
