Procesor napędzany ciepłem

Rozwój nauki i technologii często zadziwia odkryciami. Ale bywa, że jeszcze większe zdumienie budzą odkrycia pojawiające się na skrzyżowaniu różnych dziedzin badań. Takim krzyżowym wynalazkiem jest termospintronika, która pozwoli być może stworzyć komputer napędzany ciepłem, zamiast prądu.

Głównym celem badań technologicznych w dziedzinie elektroniki jest zwiększenie szybkości i wydajności mikroprocesorów oraz pojemności pamięci. Głównym problemem i największą zawadą jest wydzielanie się ciepła. Nie ma prądu elektrycznego bez ciepła i trudno spodziewać się „zimnych" układów. Nasze komputery mogłyby działać wielokrotnie szybciej, gdyby nie wydzielanie ciepła. Niestety, szybsza praca - większa temperatura - szybsze przegrzanie i spalenie się układu scalonego.

Prace mające na celu ominięcie tego problemu toczyły się w dwóch zasadniczych kierunkach: zmniejszenia emisji ciepła lub jego szybsze odprowadzanie i wykorzystanie (na przykład, dzięki efektowi termoelektrycznemu, do produkcji prądu); bardziej ambitna droga i dalsza perspektywa to układy spintroniczne. Spintronika to nauka o spinie (momencie pędu, właściwości kwantowej) elektronów. Wykorzystanie spinu zamiast ładunku elektrycznego pozwoliłoby na budowę ultraszybkich procesorów i bardzo pojemnych pamięci.

Arsenek galu jest znanym półprzewodnikiem, wykorzystywanym obok krzemu, do produkcji układów elektronicznych. Domieszkowanie go manganem tworzy materiał, który służy do eksperymentowania z kontrolą spinu elektronów przy pomocy pola magnetycznego. Naukowcy z Ohio State University: Joseph Heremans, Roberto Myers oraz Christopher Jaworski dokonali niezwykłego odkrycia. Arsenek galowo-manganowy, przygotowany w postaci cienkiej błony z pojedynczej warstwy kryształów poddawany był doświadczeniom. Podczas prac zauważono, że spin nie układa się tak, jak się spodziewano - winne okazało się ciepło. Spin w takim materiale układał się w zależności od temperatury po obu stronach błony, efekt dawał się łatwo i skutecznie kontrolować - po gorącej stronie skierowany był w górę, po zimnej w dół.

Jeszcze większym zaskoczeniem był fakt, że efekt ten potrafi przenosić się pomiędzy fragmentami krystalicznej błony nie połączonymi ze sobą. Kiedy płytkę arsenku galowo-manganowego przecięto na pół, nie wpłynęło to na zachowanie całości układu. Dla elektronów przerwa jest barierą, dla ich spinu - nie. Identyczne wyniki uzyskał zespół japońskiego Tōhoku University. Mimo wielu eksperymentów źródło efektu pozostaje nadal niezrozumiałe dla teoretyków.

Nie przeszkadza to jednak w przewidywaniu zastosowań dla termospintroniki, jak nazwano nową dziedzinę badań. Niewykluczone, że możliwe stanie się zbudowanie mikroprocesorów, które nagrzewając się podczas intensywnej pracy, uruchamiały będą dodatkowe moce obliczeniowe i pamięć oparte na efekcie spin-Seebecka, a być może układy scalone wykorzystujące jako źródło zasilania nie prąd, lecz ciepło.

spintronika termoeletronika termospintronika efekt spin-Seebecka arsenek galowo-manganowy Joseph Heremans Roberto Myers Christopher Jaworski Ohio State University