Писатели-фантасты давно облюбовали кристаллы в качестве основы универсальных компактных информационно-коммуникационных устройств. Их привлекательность - в полной интегрированности по формуле "все в одном", т.е. и процессор, и память, и хранилище данных, и все, все, все, что нужно для полного счастья. До недавнего времени все это было предметом лишь романтических мечтаний. Но прорыв технологий в нанометровую область может уже в очень скором будущем еще одну "сказку сделать былью".

В этом уверены ученые из Центра перспективных материалов для фотоники и электроники (UB's Center for Advanced Photonic and Electronic Materials, CAPEM) Университета Буффало, которые в конце мая ("Applied Physics Letters", 27.05.02) доложили о результатах исследовательского проекта, поддержанного в 2000 году 10-миллионным грантом DARPA (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency) в рамках более широкой программы SpinS. Всего в проекте участвуют девять научных учреждений.

Цель проекта - разработка технологий и создание материалов для новой перспективной области исследований и приложений, которая получила название "спинтроника" (см. "КВ" № 1, 2002). Как понятно из самого названия, это область технологий, в которой наряду с привычными для стандартной электроники зарядами и их токами используется специфически квантовое свойство субатомных частиц (в частности, электронов) - спин или собственный момент вращения, а, стало быть, и ассоциированный с ним магнитный момент. Именно последний дает возможность альтернативного управления состояниями электронов и, соответственно, создания принципиально новых устройств для обработки информационных потоков. Более того, обработка и хранение данных в таких устройствах могла бы производиться на основе одних и тех же компонентов: элементов памяти, логических элементов, спиновых транзисторов и спиновых ламп. Такие компоненты, как ожидается, позволят значительно повысить производительность вычислительных устройств при более низком энергопотреблении, чем у электронных приборов, и при этом сделать память энергонезависимой (информация сохраняется и при выключенном питании).

Спиновые состояния электрона замечательны тем, что не только позволяют естественным образом кодировать биты (например, 1 - "спин наверх", 0 - "спин вниз)", но и использовать неисчислимое множество смешанных состояний, т.е. кодировать так называемые кюбиты (квантовые биты) - основу квантовой информатики и вычислений. Вычислительные устройства на основе спинтроников могли бы обрабатывать одновременно миллионы и миллиарды битов информации, что для обычных компьютеров недостижимо.

Для использования замечательных спиновых свойств электронов необходимо создание таких материалов, которые могли действовать как своего рода спиновые затворы, пропуская электроны с одним направлением спина и задерживая с противоположным направлением, и при этом - при комнатной температуре. В своих исследованиях участники проекта сосредоточили внимание на магнитных полупроводниках, уже неплохо изученных и применяемых в обычной электронике. И, как сказал один из участников проекта, профессор Университета Буффало Хон Ло (Hong Luo), "после многолетних усилий создать материалы, которые бы сделали возможными спинтронные устройства, теперь они у нас в руках".

В экспериментах использовались "цифровые" (digital) сплавы слоев галлия, сурьмы и марганца (GaSb/Mn) толщиной всего в несколько атомов, в которых возникают новые комбинации атомов, не существующие в природе. Одним из уникальных свойств таких полупроводников является явление гистерезиса при комнатной температуре, что свидетельствует о ферромагнетизме. Остаточный магнитный эффект не исчезает при выключении приложенного магнитного поля. Управлять спиновыми состояниями электронов можно, модифицируя такие ферромагнитные полупроводники и комбинируя их с немагнитными полупроводниками в гетероструктуры (сэндвичеподобные структуры из разных полупроводников). Это-то и открывает возможности для создания устройств для обработки и хранения данных на одной и той же материальной базе - так сказать, "компьютеров на одном чипе". Первые работающие спинтронные устройства будут созданы уже в следующем году, а через 3-5 лет они станут основой новой спинтронной техники.

О перспективах спинтроники высказалась в начале июня (см. "Scientific American", 2.06.02) и группа исследователей из Калифорнийского университета под руководством Дэвида Д. Ошелома (David D. Awschalom). Они, в частности, работают над созданием спинтронных магниторезистивных запоминающих устройств и полагают, что через несколько лет на рынке появится новый тип компьютерной памяти - MRAM (magnetic random-access memory), которая, в отличие от существующих типов энергонезависимой памяти, будет иметь производительность такую же, как и обычная RAM. Но основное внимание ученые уделяют возможности манипулирования квантовыми спиновыми состояниями отдельного электрона для создания спинтронных квантовых логических вентилей и - в перспективе - полнофункциональных квантовых компьютеров.

Сергей САНЬКО