Obstoječa elektronika – zaradi njene narave jo poimenujmo kar »nabojtronika« (chargetronics) – uporablja samo eno lastnost elektrona, njegov naboj. Vsi elektroni imajo isti naboj in »nabojtronika« deluje tako, da se elektroni premikajo, spremembe, ki nastanejo, pa uporabijo za shranjevanje ali upravljanje podatkov. Elektrone je težko prisiliti, da ostanejo mirni dalj časa, zato ni preprosto trajno obdržati spremembe in jih uporabljati za shranjevanje. Toda elektron ima še eno lastnost, ki jo je mogoče spreminjati brez premikanja: kvantni spin (vrtenje). Vrtenje je mogoče preobrniti iz ene smeri v drugo. Ko pa preobrnemo smer, jo spin teži obdržati, zato ga je mogoče uporabljati za shranjevanje in upravljanje podatkov.

BRALNE GLAVE IN MRAM

Prav kvantni spin magneti stvari, zato je po svoje spintronika (spintronics – spin transport electronics) novo ime magnetnega shranjevanja, ki ga že dolgo poznamo. Računalniki uporabljajo medije za magnetno shranjevanje, od trakov do trdih diskov, že od začetka računalniškega obdobja. Ti mediji so okorni in zahtevajo za delovanje veliko premičnih delov. S spintroniko se želimo znebiti premičnih delov in jih zamenjati s čipi, ki temeljijo na vrtenju namesto na naboju. Vmesni korak pa poznamo že več let: t. i. gigantsko magnetoupornost (giant magnetoresistance), ki se zdaj široko uporablja za branje podatkov s trdega diska. Tankoplastne bralne glave, ki se imenujejo spinski ventil (spin valve), delujejo ravno zato, ker preklop spinov kot reakcija na magnetno shranjene podatke na disku povzroča »gigantske« spremembe njihove upornosti. Spremembe upornosti se prevajajo v električni signal, ki se pošilja drugim delom računalnika v obdelavo.

Gigantska magnetoupornost je prinesla pomemben napredek v računalništvu, še večji pa lahko pričakujemo od uporabe spintronike na področju magnetouporniškega bralno-pisalnega pomnilnika (MRAM). Ta povezuje sposobnost shranjevanja podatkov velike gostote čipov DRAM, ki tvori delovni pomnilnik današnjih računalnikov, s sposobnostjo hranjenja podatkov, tudi ko je računalnik izključen – lastnost, ki danes zahteva drage čipe velike kapacitete (SRAM) in bliskovne pomnilnike. Če bo MRAM izpolnil napovedi, bo praktično izrinil druge vrste pomnilniških čipov in dokaj izboljšal trde diske. Za zagovornike spintronike pa so tudi čipi MRAM šele začetek. Menijo, da bo spintronika zamenjala še večji delež »nabojtronike«. Pravi napredek bodo namreč prinesli šele spintronski ekvivalenti tranzistorja, ki bodo delovali hitreje od konvencionalnih, ker ne bo potrebno premikanje elektronov v njihovi notranjosti.

KVANTNA SPINTRONIKA

Takšni čipi bi bili manjši, ker ne bi bili občutljivi na uhajanje elektronov, kar je težave pri »nabojtronskih« napravah. Tranzistorji so elementi, iz katerih so sestavljeni računalniški procesorji. Tudi spintronski tranzistorji bodo gradili spintronske procesorje, kar bo napovedalo popoln spintronski prevzem notranjosti računalnika. Tudi to bo lahko le začetek, ker vizionarji napovedujejo, da bodo srce spintronike pravzaprav kvantni računalniki, ki bodo čudesa kvantne teorije uporabljali za izvajanje kalkulacij, ki so preobsežne za današnje, navadne računalnike. Za kvantne računalnike bomo potrebovali povsem novo strojno opremo, za katero bo idealna osnova kvantni spin, čeprav atomskih jeder prej kot elektronov. Pa morda tudi ne samo spin, kar pa bo znano šele v prihodnosti.

»Naprave, kot so spinske bralne glave in čipi MRAM, so samo en razred spintronike, v katerem so spini velikega števila elektronov razvrščeni na isti način,« pojasnjuje prof. David Awschalom, direktor centra za spintroniko in kvantno računanje Kalifornijske univerze v Santa Barbari. Ti tako imenovani spinski polarizirani elektroni tipično tečejo skozi posamezne dele naprav in tako tvorijo spinsko polarizirani (ali spin-polarizirani) tok, ki je analogen s polariziranim žarkom svetlobe. Raziskovalci so zadnja leta dosegli pomemben napredek na tem področju, vključno z načini ustvarjanja in upravljanja spinske polarizacije v polprevodnikih brez zanašanja na magnetne materiale ali okorne žične sklope za ustvarjanje magnetnega polja. Drugi in še pomembnejši razred je kvantna spintronika, ki temelji na upravljanju posamičnih elektronov s ciljem izkoriščanja kvantnih lastnosti spina.«

PREDNOST TRDNEGA STANJA

Znanstvenik David Awschalom, ki sodeluje z Ryanom Epsteinom in Ronaldom Hansonom iz Centra za spintroniko v Santa Barbari, pojasnjuje, da kvantna spintronika lahko zagotovi praktičen način izvajanja obdelave kvantnih informacij. Pri tem se ničle (0) in enice (1) iz konvencionalnega bitnega računanja zamenjajo s kvantnimi biti oz. kubiti, ki so sposobni biti istočasno tako ničle kot tudi enice – takšno stanje se imenuje »kvantna superpozicija«. Dvojnost (superpozicija) kubitov omogoča izvajanje vzporedne obdelave, ki je izjemno učinkovita za posamezna opravila, kot sta iskanje po podatkovni zbirkah ali faktoriranje velikih številk. Učinkovito faktoriranje velikih številk je posebej pomembno, ker bo med drugim nadomestilo zastarele kriptografske kode, ki se veliko uporabljajo, med drugim za varno komuniciranje prek interneta.

Morda najpomembnejša sposobnost kvantnih računalnikov bo njihova možnost simuliranja oz. modeliranja drugih kvantnih sistemov, za kar so današnji računalniki brezupno slabi. Kvantne simulacije so na primer nujne za razumevanje obnašanja snovi na nanometrski ravni, zato lahko kvantni računalniki pripeljejo do ogromnega napredka na področju fizike, kemije, znanosti o materialih in biologije. Zato je razumljivo, da mnoge ustanove tekmujejo v razvoju ustreznih sistemov za shranjevanje in obdelavo kvantnih informacij. Najnaprednejše enote za to so spini ionov v elektromagnetnem polju, ki pa zahtevajo visok vakuum in kompleksno arhitekturo ohranitve posameznega delca v zanki in njegove zaščite pred zunanjimi motnjami. Razvoj čipov s številnimi takšnimi zankami bo res velik izziv. Nasprotno pa bi uporaba kubitov na trdni podlagi omogočila raziskovalcem uporabo večdesetletnih izkušenj iz proizvodnje polprevodniških čipov.

DIAMANT V OBLIKI FILMA

Da bi se približali ustvarjanju kvantnih računalnikov, zasnovanih na trdnem stanju, bodo morali znanstveniki odgovoriti na številna vprašanja. Ali bo mogoče obravnavati in upravljati posamezne spine trdnih snovi? Bo mogoče razviti interakcije za uvajanje zanesljivih kvantnih logičnih vrat? Ali bodo spini trdnih snovi sposobni obdržati kvantne informacije dovolj dolgo za izvajanje potrebnih operacij? Pravzaprav so raziskovalci na zastavljena vprašanja že odgovorili pritrdilno, kot najustreznejši trdni material pa se je za zdaj izkazal – diamant. Diamant je snov ekstremov: ultratrdna, z najvišjo toplotno prevodnostjo med vsemi trdnimi materiali, prozorna za ultravijolično svetlobo. Še več, pokazalo se je, da je mogoče za potrebe elektronike ustvarjati umetne diamante visoke čistoče, na enemu kristalu, vanj pa dodajati ustrezne nečistoče. Čisti diamant je (električni) izolator, z dodatkom nečistoč pa lahko postane polprevodnik izjemnih lastnosti.

Diamant se med drugim uporablja za mikrovalovno elektroniko visoke moči, odkrivanje ultravijolične (UV) svetlobe ter UV-optiko in UV svetleče diode. Najpomembnejša potencialna uporaba pa je kvantna spintronika, ki mo lahko pripeljala do kvantnih računalnikov. »Diamant, ki ga uporabljamo v naših eksperimentih, je povsem drugačen od iskrivega dragega kamenja,« pojasnjuje David Awschalom. »Nedavni napredek v raziskavah je omogočil sintezo tankega diamantnega filma, tipično debelega nekaj sto nanometrov, velikosti nekaj kvadratnih centimetrov, s postopkom nalaganja kemične pare.« Plin, sestavljen iz molekul, ki vsebujejo ogljik (kot je metan), se skupaj z vodikom razbije v posamezne atome, z mikrovalovnim sevanjem visoke moči, na primer, pa se atomi ogljika nalagajo na silicijevo podlago. Dobljeni diamant je lahko sestavljen iz majcenih kristalov ali pa je en sam kristal. Ključni dejavnik za kvantno elektroniko je potreba po veliki količini energije, da se posamezen elektron premakne in »teče« skozi diamant.

SHRANJEVANJE V JEDRU ATOMA

Center v Santa Barbari uporablja nečistoče oz. postopke onečiščenja, ki so jih razvili na tehnološki univerzi v Chemnitzu v Nemčiji. Med njimi je na primer zamenjava enega atoma ogljika z dušikom (angl. N – nitrogen) in sosednjega s praznino (V – vacancy). Nastala kombinacija dušik-praznina se imenuje N-V center. V diamantu ima N-V center nekaj izrednih lastnosti: obnaša se kot enkratna nečistoča, elektroni atoma dušika obkrožajo ne le atom dušika, temveč tudi praznino in sosednje tri atome ogljika, oddaja en sam foton naenkrat (kar je zelo pomembno za kriptografijo), spin elektronov se lahko polarizira z vidno svetlobo tudi pri sobni temperaturi (namesto pri zelo nizki kot pri drugih materialih). Ker pa se pri enem stanju spina pojavlja močnejša fluorescenca (sevanje svetlobe pod zunanjih vplivih), jo je mogoče uporabljati kot stanje 1, stanje brez fluorescence pa kot 0. Posebej pomembno je, da so spini v diamantu izjemno stabilni, N-V center pa kaže kvantno obnašanje tudi pri sobni temperaturi.

Manipuliranje s spini v N-V centrih v umetnih diamantih je se pokazalo kot obetavna tehnologija za obdelavo kvantnih informacij, so pokazale raziskave Centra za spintroniko in kvantno računanje v Santa Barbari, Avstralske nacionalne univerze, nemške Univerze v Bochumu in Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley. Ključni problem pa je shranjevanje informacij, saj stanje traja spinov elektronov v N-V centrih le eno milisekundo. Raziskovalcem s Hardvarske univerze je uspelo prenašati dobljene informacije iz spinov elektronov v N-V centru v spine jedro atoma ogljika 13 in jih povrniti 20 milisekund pozneje. Spini jedra ogljika niso kazali znakov razpada, kar pomeni, da lahko kvantno stanje traja več sekund. Jedrni spini so za zdaj sprejemljiv način skladiščenja kubitov. Harvardski raziskovalci so med drugim izdelali načrt za kvantni ponavljalnik, zasnovan na rezultatih raziskav z jedrnimi spini.. Kvantni ponavljalnik je potreben za kvantne komunikacije oz. prenašanje kubitov na velike oddaljenosti.

KVANTNA ELEKTRONIKA

Ena pomembnih raziskav na področju spintronike poteka v Centru za spintroniko v Santa Barbari že od leta 2000. Spintronske naprave načeloma uporabljajo lastnosti elektronov, ki jim omogočajo, da se obnašajo kot majcene magnetne paličke. Možna sta dva razreda takšnih naprav, odvisno od tega, ali se upravljajo spini posameznih elektronov ali pa skupine spinsko polariziranih elektronov (spinski tokovi). Za upravljanje spinov se glede na njihovo podobnost z magneti uporabljajo magnetna polja, v obliki magnetnih materialov ali elektromagnetov. Seveda bi bilo veliko lažje, če bi spini »videli« električna polja namesto magnetnih. To bi omogočilo preprostejšo proizvodnjo in izdelavo bistveno manjših naprav, saj je električna polja lažje omejiti na manjšo prostornino. Obenem bi se lahko izdelovale naprave z bistveno hitrejšim delovanjem, ker bi se lahko uporabljale višje frekvence. Raziskovalcem iz Santa Barbare je v razvoju »nadzora spina za mase«, kot so sami opisali svoje delo, pomagal relativistični učinek. Elektroni, ki se gibljejo navpično na električno polje, namreč »vidijo« tudi šibko magnetno polje, pomešano z električnim. Četudi šibko, magnetno polje seveda vpliva na spin.

Znanstveniki ta pojav imenujejo »spin-orbitno povezovanje«, ker so ga prvič preučevali pri elektronih, ki krožijo (angl. orbit) v električnem polju okrog atomskega jedra. Skupina iz Santa Barbare je učinek preučevala na galij-arzenidu, znanem polprevodniku, ki se uporablja v elektroniki. Raziskave so potrdile obstoj fantomskega magnetnega polja, ki je vplivalo na spin elektrona. Spin-polazirani elektroni so se vrteli, kot če bi bili v magnetnem polju. Fantomsko magnetno polje je tudi razvrščalo spine nepolariziranih elektronov. Odkrili so tudi pojav Hallovega učinka, ki sta ga napovedala še leta 1971 Mihael Djakonov in Vladimir Perel iz Joffejevega inštituta iz Sant Petersburga (tedaj Lenjingrada). Gre za nabiranje nasprotnih nabojev na dvema stranema materiala, skozi katerega teče električni tok v magnetnem polju. Spinski Hallov učinek pa se kaže kot nabiranje spinov na straneh materiala, skozi katerega teče električni tok, četudi ne v magnetnem polju. Vse večje število uspešnih raziskav na področju spina v diamantu, v katere se je vključil tudi HP, omogoča, da se nam obdelava kvantnih informacij pri sobni temperaturi ne zdi več znanstvena fantastika. Morda je obdobje kvantne elektronike, ne le kvantne spintronike, že za vogalom.

Moj mikro, Juni 2009 | Esad Jakupović