Протестированы логические элементы «нанопроволочного» компьютера

Английские исследователи предлагают для создания компьютеров нового поколения использовать нанопроволоку. Принцип работы логических элементов таких компьютеров основан на подвижности магнитных доменных стенок в магнитомягких материалах.

Рис. 1. Схема элемента «Логическое НЕ» на магнитной нанопроволоке

Известно, что ферромагнитный материал при температурах выше некоторого критического значения (температура Кюри) разбивается на макроскопические области (магнитные домены), намагниченность которых равна по величине, но имеет различные направления. При переходе от одного домена к другому направление намагниченности изменяется не скачком, а непрерывно: поворот вектора намагниченности должен быть постепенным. Такой переходный слой, разделяющий соседние домены с различными направлениями вектора намагниченности, называется доменной границей или стенкой. Если кристалл помещен во внешнее магнитное поле, границы между доменами придут в движение, что приведет к увеличению размеров одних доменов и уменьшению других. Этим эффектом и предлагают воспользоваться ученые для создания логических элементов [1, 2].

Анизотропия формы нанопроволоки приводит к тому, что вектор намагниченности лежит вдоль проволоки и может иметь только два направления, которые и формируют базис двоичной логики. Граница между доменами с двумя противоположно направленными намагниченностями представляет собой своего рода переключатель сигналов. Перемещать стенку можно прикладывая внешнее магнитное поле вдоль проволоки. Используя вращающееся в плоскости образца магнитное поле, можно добиться перемещения доменной границы через сложную систему магнитных проволок.

На рис. 1а показан элемент «логическое НЕ», построенный с использованием магнитных нанопроволок. Допустим, что магнитное поле вращается в плоскости образца против часовой стрелки. За логическую «1», например, принимается состояние, когда вектор намагниченности направлен в сторону движения доменной стенки. При изменении направления магнитного поля от H_x до H_y доменная стенка перемещается со стороны входа P (рис. 1б), проходит через первый угол между двумя проволоками и приходит в Q (рис. 1в). Теперь соединение P-Q будет намагничено непрерывно (без доменной границы). Если магнитное поле продолжает вращаться до —H_x, доменная стенка пройдет через второй угол (рис. 1г) и выйдет в R (рис. 1д), установив непрерывную намагниченность между P и Q. Таким образом, намагниченность сразу за точкой соединения проволок станет направлена противоположно намагниченности до точки соединения, т. е. реализуется операция логического отрицания.

Рис. 2. Элемент «Логическое НЕ», реализованный на нанопроволоке пермаллоя, и результат его работы

В качестве рабочего материала для создания нанопроволочных логических элементов был использован магнитомягкий пермаллой в виде плоской нанопроволоки (рис. 2а), возникающие доменные стенки в которой имеют оценочную толщину порядка 100 нм. Измерения изменения вектора намагниченности проводилось с использованием магнито-оптического эффекта Керра при комнатных температурах. Результат работы такого элемента показан на рис. 2б. Частота осцилляций поля составляла 27 Гц. Предварительные измерения показали, что время прохождения доменной стенки через соединение составляет от 0,1 до 2 нс и может увеличиваться из-за «зацепления» стенки в месте соединения.

С использованием «логики магнитных доменных стенок» были реализованы и другие логические элементы, а также построены «наносети», включающие несколько различных элементов [2]. Преимущество таких элементов в том, что потери энергии на одну операцию в них много меньше, чем в обычных CMOS (CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor — усовершенствованная (комплиментарная) структура построения микроэлектронных схем на трехслойной (МОП) основе металл-окисел-полупроводник): 10^–5 пкДж против 10^–2 пкДж. Кроме того, простота изготовления логических элементов на «доменной логике» позволяет создавать сложные схемы в одной плоскости (например, на мягкой подложке), избегая необходимости многоуровневой металлизации.

1. D. A. Allwood et al., Science 296 (2003), p. 2002.
2. D. A. Allwood et al., Science 309 (2005), p. 1688.

Андрей Сидоренко