Następcy krzemu

Elektronika i krzemowe układy scalone stanowią fundament sprzętowego wymiaru współczesnej informatyki. Owe technologie osiągnęły wysoki poziom rozwoju, być może nawet stan nasycenia. Czy nadchodzi zatem kres ich ekspansji?

Elektronika i krzemowe układy scalone stanowią fundament sprzętowego wymiaru współczesnej informatyki. Owe technologie osiągnęły wysoki poziom rozwoju, być może nawet stan nasycenia. Czy nadchodzi zatem kres ich ekspansji?

Stawiamy coraz większe wymagania otaczającym nas zewsząd krzemowo-elektronicznym komputerom. Nie ma żadnej granicy, na której zatrzymają się nasze ciągle rosnące potrzeby. Istnieją wszakże bardzo wymierne granice ich realizacji. Nie da się w nieskończoność i w wykładniczym tempie zmniejszać podstawowej szerokości ścieżki w układzie scalonym. Niezmienne są fizyczne parametry elektronu, wielkość elementarnego ładunku, z którego korzystamy podczas wykonywania mikrotranzystorowych instrukcji maszynowych. Krzemowo-elektroniczny paradygmat potrzebuje zatem swojego następcy.

Być może taką technologią stanie się komputer kwantowy ("Miejsce przyszłości", CW 37 z 11 października br.). Póki co w praktyce bardziej zaawansowane są badania w dziedzinie spinotroniki. Powstanie tej nowej dziedziny wiedzy koresponduje z tezą, że cały postęp cywilizacyjny można sprowadzić do niewielkiej liczby podstawowych idei, które niczym na wznoszącej się spirali powtarzają się, ciągle osiągając coraz wyższy poziom rozwoju. Jedną z takich idei jest poszukiwanie materialnych granic otaczającego nas świata. Robimy to zarówno w kierunku obiektów coraz większych, kosmicznych, jak również schodząc w głąb materii.

Magnetoelektronika

Demokrytowski pomysł istnienia niepodzielnej, materialnej "cegiełki" atomowej potwierdziła nowożytna nauka. W końcu XIX w. od atomu przeszliśmy do elektronu. Tutaj najpierw była idea Stoneya (1891 r.), a potem faktyczne odkrycie dokonane przez Thomsona (1897 r.), a wreszcie słynne "olejowe" doświadczenia Millikana, wyznaczające ładunek elementarny (1911 r., za co otrzymał Nagrodę Nobla 12 lat później). Te prace umożliwiły narodziny elektroniki i jej tryumfalny pochód w XX w., trwający zresztą nadal.

Elektron ma także swój wewnętrzny moment pędu - spin, współodpowiedzialny za magnetyczne własności materii, które możemy próbować wykorzystywać. W ten sposób na naszych oczach powstała spinotronika - nowa dziedzina wiedzy, którą można by też nazwać magnetoelektroniką. To dzięki spinowi elektron może być traktowany jako minimagnes, o różnych kierunkach ustawienia. Właśnie dlatego żelazo, będące ferromagnetykiem, można trwale namagnesować - efekt zawdzięczamy wzajemnym wzmocnieniom równolegle ustawionych spinów.

Skoro można sterować ładunkiem elektronu, to pewnie warto podobnie postępować z jego spinem - spinotranzystor byłby szybszy i energooszczędniejszy.

Do tego potrzeba by nieomal fizycznej niemożliwości: ferromagnetycznych półprzewodników (aczkolwiek dla ścisłości dodajmy, że niemożliwości jedynie w świetle klasycznej wiedzy, według której zwykłego półprzewodnika nie da się namagnesować tak samo jak żelaza). Tymczasem dodawanie do arsenków manganu, mającego dobre właściwości magnetyczne, powoduje, że półprzewodnikowy magnes staje się faktem. Komputer na scalonych spinotranzystorach to szczytny cel spinotroniki. Na razie potrafimy korzystać ze zjawisk magnetycznych dla konstruowania pamięci RAM. W tym sensie do spinotronicznych (spinoelektronicznych) należy pamięć MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).

Magnetyczne kanapki

Ta pamięć korzysta z technologii XMR (X Magneto Resistance). Wśród nich da się wyróżnić cztery grupy: AMR (Anisotropic MR), GMR (Giant MR), TMR (Tunneling MR), CMR (Colossal MR). Najprostszym z prezentowanych zjawisk magnetooporowych jest odmiana anizotropowa (AMR), wykorzystująca różnice oporności elektrycznej w zależności od kierunku magnetyzowania przewodnika. Różnice te sięgają poziomu pojedynczych procentów, ale wystarcza to konstruktorom magnetycznych sensorów.

Zmiany dwukrotnie silniejsze, do 8%, występują w "magnetycznej kanapce" kobaltowo-miedzianej. Taki przyrost wielkości wystarczył fizykom dla nadania efektowi dumnej nazwy "olbrzymiego" (GMR). Dodajmy, że bynajmniej nieolbrzymie są rozmiary opisywanego sandwicha: magnetyczna warstwa kobaltu, oddzielona od niemagnetycznej warstwy miedzi jest ledwie nanometrowej grubości (czy raczej cienkości). Do tego zwiększanie liczby warstw przekładańca potrafi spotęgować fenomen GMR.

Jeszcze nowszym zjawiskiem jest tunelowa MR (TMR), związana ze spinowo-zależnym tunelowaniem elektronów przez warstwę izolatora. W ten sposób już w pierwszej połowie lat 90. uzyskano niemal 20-procentowy przyrost magnetooporności w temperaturze pokojowej, dzięki wykorzystaniu "kanapki" Fe/Al2O3/Fe. Oczywiście i tu niemagnetyczna warstwa tlenku glinu musiała być odpowiednio cienka, by elektrony mogły przechodzić przez tę barierę: jej grubość to kilkanaście warstw atomowych, ok. 5 nm.

Pozostaje jeszcze CMR wykorzystujący struktury podobne do perowskitu - minerału, będącego składnikiem skał magmowych (tytanian wapnia, CaTiO3). Efekt słusznie nazwano kolosalnym - tu idzie już o setki procent. Aczkolwiek wiąże się to z dużymi polami magnetycznymi, idącymi w pojedyncze tesle i w sumie zjawiska te są zbyt silne, aby dało się je wykorzystać w technologiach pamięciowych.