Magnetische logica zorgt voor veranderlijke chips

Software kan een computer transformeren van een tekstverwerker naar een getallenkraker naar een videotelefoon. Maar de onderliggende hardware is ongewijzigd. Nu zou een type transistor dat kan worden geschakeld met magnetisme in plaats van elektriciteit, circuits ook kneedbaar maken, wat leidt tot efficiëntere en betrouwbaardere gadgets, van smartphones tot satellieten.

Transistors, de eenvoudige schakelaars in het hart van alle moderne elektronica, gebruiken over het algemeen een kleine spanning om te schakelen tussen 'aan' en 'uit'. De spanningsbenadering is zeer betrouwbaar en gemakkelijk te miniaturiseren, maar heeft zijn nadelen. Ten eerste is er stroom nodig om de spanning aan te houden, wat het energieverbruik van de microchip opdrijft. Ten tweede moeten transistors vast in de chips worden aangesloten en kunnen ze niet opnieuw worden geconfigureerd, wat betekent dat computers speciale circuits nodig hebben voor al hun functies.

Een onderzoeksgroep van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) in Seoul, Zuid-Korea, heeft een circuit ontwikkeld dat deze problemen kan omzeilen. Het apparaat, beschreven in een artikel dat op 30 januari op de website van Nature is gepubliceerd, gebruikt magnetisme om de stroom van elektronen over een minuscule brug van het halfgeleidende materiaal indiumantimonide te regelen (S. Joo et al. Nature http://dx. doi.org/10.1038/nature11817; 2013). Het is “een nieuwe en interessante draai aan het implementeren van een logische poort†, zegt Gian Salis, een natuurkundige bij IBM's Zürich Research Laboratory in Zwitserland.

De brug heeft twee lagen: een benedendek met een overmaat aan positief geladen gaten en een bovendek dat voornamelijk gevuld is met negatief geladen elektronen. Dankzij de ongebruikelijke elektronische eigenschappen van het indiumantimonide kunnen de onderzoekers de stroom van elektronen over de brug regelen met behulp van een loodrecht magnetisch veld. Wanneer ze het veld in één richting instellen, worden elektronen weggestuurd van het positieve onderste dek en kunnen ze vrij stromen. Wanneer het magnetische veld wordt omgedraaid, botsen de elektronen op het benedendek en recombineren ze met de gaten - waardoor de schakelaar feitelijk wordt uitgeschakeld (zie 'Magnetisch slot').

Het vermogen van een magnetische logische poort om de schakelaar aan of uit te houden zonder spanning "zou kunnen leiden tot een grote vermindering van het energieverbruik", zegt co-auteur Jin Dong Song, een natuurkundige bij KIST. Nog indrukwekkender is dat de magnetische schakelaars "kunnen worden behandeld als software", zegt hij, door simpelweg het veld om te draaien om een ​​circuit in of uit te schakelen. Zo kan een mobiele telefoon bijvoorbeeld een deel van zijn microcircuit herprogrammeren om video te verwerken terwijl de gebruiker een clip op YouTube bekijkt, en vervolgens de chip terugschakelen naar signaalverwerking om een ​​telefoongesprek aan te nemen. Dit kan het benodigde aantal schakelingen in de telefoon aanzienlijk verminderen.
Dergelijke herconfigureerbare logica zou van onschatbare waarde kunnen zijn in satellieten, voegt Mark Johnson van het Naval Research Laboratory in Washington DC toe, een co-auteur van het artikel. Als een deel van een chip in een baan om de aarde faalt, kan een andere sector eenvoudig worden geherprogrammeerd om het over te nemen. “Je hebt het circuit genezen en je hebt het vanaf de aarde gedaan,’ zegt hij.
Om echt aan te slaan, zou de magnetische logica echter moeten worden geïntegreerd met bestaande op silicium gebaseerde technologieën. Dat is misschien niet gemakkelijk. Ten eerste leent indiumantimonide, de halfgeleider die cruciaal is voor de circuits, zich niet goed voor productieprocessen die worden gebruikt om moderne elektronica te maken, volgens Junichi Murota, een onderzoeker die werkt met nano-elektronica aan de Tohoku University in Japan. Maar Johnson zegt dat het uiteindelijk mogelijk kan zijn om soortgelijke bruggen met silicium te bouwen.

Ook het integreren van de miniatuurmagneten die nodig zijn om de apparaten aan te sturen in een normale chip zou niet eenvoudig zijn. Bedrijven moeten deze uitdagingen kunnen oplossen, maar alleen als ze besluiten dat de apparaten de moeite waard zijn, zegt Salis. Op dit moment, voegt hij eraan toe, is het niet duidelijk of de apparaten goed zullen presteren met de afmetingen die nodig zijn voor een praktische chip - veel kleiner dan de micrometer-afmetingen van de prototypes.

Maar Johnson merkt op dat magnetisme al aanslaat in het ontwerp van circuits: sommige geavanceerde apparaten beginnen een magnetische versie van random access memory te gebruiken, een type geheugen dat in het verleden alleen met conventionele transistors werd gebouwd. “Ik denk dat er al een verschuiving gaande is,’ zegt hij.