Un'immagine al microscopio elettronico a scansione vista dall'alto di un dispositivo di giunzione a tunnel magnetico. Credito:K. Hayakawa et al.
I ricercatori della Tohoku University hanno, per la prima volta, ha sviluppato la tecnologia per l'operazione in nanosecondi del bit probabilistico basato sulla spintronica (p-bit), soprannominato "il bit quantico dei poveri" (q-bit).
Il defunto fisico R.P. Feynman ha immaginato un computer probabilistico in grado di gestire le probabilità su larga scala per consentire un calcolo efficiente. "Usando la spintronica, la nostra ultima tecnologia ha fatto il primo passo nella realizzazione della visione di Feynman, " disse Shun Kanai, professore presso il Research Institute of Electrical Communication presso la Tohoku University e autore principale dello studio.
Le giunzioni magnetiche a tunnel (MTJ) sono il componente chiave della memoria non volatile o MRAM, una tecnologia di memoria prodotta in serie che utilizza la magnetizzazione per memorizzare le informazioni. Là, la fluttuazione termica in genere rappresenta una minaccia per l'archiviazione stabile delle informazioni.
P-bit, d'altra parte, funzione con queste fluttuazioni termiche in MTJ termicamente instabili (stocastici). Una precedente ricerca collaborativa tra la Tohoku University e la Purdue University ha dimostrato un computer probabilistico basato sulla spintronica a temperatura ambiente costituito da MTJ stocastici con tempi di rilassamento di millisecondi.
Per rendere i computer probabilistici una tecnologia praticabile, è necessario sviluppare MTJ stocastici con tempi di rilassamento molto più brevi che riducono la scala temporale di fluttuazione del p-bit. Ciò aumenterebbe efficacemente la velocità/precisione di calcolo.
Segnale di tensione trasmesso misurato in tempo reale che riflette lo stato di magnetizzazione e lo stato del bit. Momento relax, definito come un tempo di commutazione medio di oltre 100 milioni di volte al secondo, è stato osservato. Credito:K. Hayakawa et al.
Il gruppo di ricerca dell'Università di Tohoku, composto da Kanai, il professor Hideo Ohno (l'attuale presidente della Tohoku University), e il professor Shunsuke Fukami, ha prodotto un dispositivo MTJ su nanoscala con un facile asse magnetico nel piano (Fig. 1). La direzione della magnetizzazione si aggiorna in media ogni 8 nanosecondi, 100 volte più velocemente del precedente record mondiale (Fig 2).
Il gruppo ha spiegato il meccanismo di questo tempo di rilassamento estremamente breve utilizzando l'entropia, una quantità fisica utilizzata per rappresentare la stocasticità dei sistemi che in precedenza non era stata considerata per la dinamica della magnetizzazione. Derivando un'equazione universale che governa l'entropia nella dinamica della magnetizzazione, hanno scoperto che l'entropia aumenta rapidamente negli MTJ con un asse facile nel piano con grandezze maggiori di anisotropia magnetica perpendicolare. Il gruppo ha impiegato intenzionalmente un asse magnetico facile nel piano per ottenere tempi di rilassamento più brevi.
"L'MTJ sviluppato è compatibile con gli attuali processi di back-end-of-line dei semiconduttori e mostra notevoli promesse per la futura realizzazione di computer probabilistici ad alte prestazioni, " ha aggiunto Kanai. "Il nostro quadro teorico delle dinamiche di magnetizzazione, inclusa l'entropia, ha anche ampie implicazioni scientifiche, in definitiva mostrando il potenziale della spintronica per contribuire a questioni discutibili nella fisica statistica".
