Aalto-yliopisto

Tietokonesiru, joka ei koskaan ylikuumene? Nanokokoinen spinaaltolaite on askel kohti aivan uudenlaista laskentaa

Jaa

Spinaaltoihin perustuva laskenta tehostaa erityisesti kuvankäsittelyä ja hahmontunnistusta.

Fabry-Pérot -resonaattorissa olevien spinaaltojen kuvaamiseen käytettiin magneto-optista mikroskooppia. Kuva: Aalto-yliopisto.
Fabry-Pérot -resonaattorissa olevien spinaaltojen kuvaamiseen käytettiin magneto-optista mikroskooppia. Kuva: Aalto-yliopisto.

Laskennassa käytetyn sähkövirran aiheuttama ylikuumeneminen hidastaa yhä nopeampien ja pienempien tietokonesirujen kehittämistä. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat yhdessä saksalaistutkijoiden kanssa kehittäneet uuden nanokokoisen, spinaaltoihin perustuvan laitteen, joka voi mahdollistaa entistä pienempien ja energiatehokkaampien tietokonesirujen ja -laitteiden kehittämisen. Tutkimusartikkeli on julkaistu Nature Communications -lehdessä.

Spin on hiukkasten, esimerkiksi elektronien, sähkövarausta vastaava ominaisuus, ja magneettisissa materiaaleissa spiniä voidaan kuljettaa aallon muodossa. Spintroniikassa tutkitaan, miten spinejä voisi hyödyntää tiedon tallettamisessa, käsittelemisessä ja sen siirtämisessä.

Tutkijat halusivat käyttää spinaaltoja eli spinien kollektiivista värähtelyä magneettisissa materiaaleissa suorittaakseen laskelmia.

“Kun hyödynnämme spinaaltoja, sähkövaraus ei siirry, jolloin ei myöskään synny kuumenemista”, sanoo professori Sebastiaan van Dijken.

Tutkimusta varten he rakensivat spinaalloille soveltuvan Fabry-Pérot -resonaattorin. Se on optiikasta tuttu työväline, jota tyypillisesti hyödynnetään tarkkuutta vaativaan valonsäteiden aallonpituuden hallitsemiseen. Tutkijoiden rakentama resonaattori on halkaisijaltaan vain muutama sata nanometriä ja mahdollistaa spinaaltojen hallinnan ja suodattamisen.

Resonaattori tehtiin kerrostamalla päällekkäin hyvin ohuita magneettisia materiaalikerroksia. Niiden tarkkaan valitut magneettiset ominaisuudet mahdollistivat spinaaltojen vangitsemisen ja kumoamisen, mikäli ne eivät olleet täsmälleen toivotulla taajuudella.

“Menettely on uusi, mutta helppo toteuttaa. Siinä yhdistetään ja kuvioidaan vähähäviöisiä magneettisia materiaaleja, joita voimme tehdä Aallossa. Ja koska näiden laitteiden valmistaminen ei ole kovin vaikeaa, meillä on paljon mahdollisuuksia jatkotutkimukselle”, sanoo tutkijatohtori Huajun Qin.

Kuumenemattomuuden lisäksi spinaalloilla on perinteiseen elektroniikkaan verrattuna muita vahvuuksia. Perinteinen, varaukseen perustuva laskenta hyödyntää totuusarvoista eli nolliin ja ykkösiin perustuvaa logiikkaa laskelmien tekemiseksi. Spinaalloilla informaatio siirtyy aallon voimakkuuden tai vaiheen mukana, ja se mahdollistaa ei-totuusarvoisen laskennan.

”Tämän tyyppinen laskenta on erittäin tehokasta erityisesti tietyissä tehtävissä, kuten kuvankäsittelyssä ja hahmontunnistuksessa. Se on samankaltaista kuin optinen laskenta, joka käyttää lasereiden tai diodien tuottamia fotoneja laskennassa, mutta spinaallot ovat paljon pienempiä kuin sähkömagneettiset aallot samalla taajuudella. Järjestelmämme vahvuus on siis se, että sen pitäisi kokonsa puolesta olla helposti integroitavissa nykyteknologiaan”, van Dijken sanoo.

Nyt kun tutkijatiimi on rakentanut resonaattorin, jolla voi suodattaa ja hallita spinaaltoja, he aikovat seuraavaksi rakentaa kokonaisen piirin.

”Magneettista piiriä varten meidän täytyy pystyä ohjaamaan spinaaltoja kohti toiminnallisia komponentteja aivan kuten sähköiset kanavat ohjaavat virtaa elektronisilla mikrosiruilla. Tavoitteena on rakentaa samankaltaisia rakenteita spinaaltojen ohjaamiseksi”, Qin kertoo.

Tutkimus tehtiin yhteistyössä saksalaisen Martin Luther University Halle-Wittenberg -yliopiston tutkijoiden kanssa. Hanketta tukee Suomen Akatemia ja saksalainen tutkimussäätiö. Kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria käytettiin näytteiden valmistamiseen.

Linkki artikkeliin

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Sebastiaan van Dijken (englanniksi)
Professori
Aalto-yliopisto
sebastiaan.van.dijken@aalto.fi
puh. 050 316 0969

Huajun Qin (englanniksi)
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
huajun.qin@aalto.fi

Kuvat

Fabry-Pérot -resonaattorissa olevien spinaaltojen kuvaamiseen käytettiin magneto-optista mikroskooppia. Kuva: Aalto-yliopisto.
Fabry-Pérot -resonaattorissa olevien spinaaltojen kuvaamiseen käytettiin magneto-optista mikroskooppia. Kuva: Aalto-yliopisto.
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Aalto-yliopisto
Aalto-yliopisto
PL 18000
00076 AALTO

09 47001, viestinta@aalto.fihttp://aalto.fi

Aalto-yliopisto. Kohti parempaa maailmaa. Aalto-yliopisto on rohkeiden ajattelijoiden yhteisö, jossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Tunnistamme ja ratkaisemme yhteiskunnan suuria haasteita ja rakennamme innovatiivista tulevaisuutta. Yliopistossa on kuusi korkeakoulua, 12 000 opiskelijaa ja 400 professoria. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme