Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de vista superior de um dispositivo de junção de túnel magnético. Crédito:K. Hayakawa et al.
Pesquisadores da Universidade Tohoku têm, pela primeira vez, desenvolveu a tecnologia para a operação em nanossegundos do bit probabilístico baseado em spintrônica (bit p) - apelidado de "bit quântico do pobre" (bit q).
O falecido físico R.P. Feynman imaginou um computador probabilístico capaz de lidar com probabilidades em escala para permitir uma computação eficiente. "Usando spintrônica, nossa tecnologia mais recente deu o primeiro passo para concretizar a visão de Feynman, "disse Shun Kanai, professor do Instituto de Pesquisa de Comunicação Elétrica da Universidade de Tohoku e autor principal do estudo.
As junções de túnel magnético (MTJs) são o principal componente da memória não volátil ou MRAM, uma tecnologia de memória produzida em massa que usa magnetização para armazenar informações. Lá, a flutuação térmica normalmente representa uma ameaça ao armazenamento estável de informações.
P-bits, por outro lado, funcionar com essas flutuações térmicas em MTJs termicamente instáveis (estocásticos). A pesquisa colaborativa anterior entre a Tohoku University e a Purdue University demonstrou um computador probabilístico baseado em spintrônica em temperatura ambiente que consiste em MTJs estocásticos com tempos de relaxamento de milissegundos.
Para tornar os computadores probabilísticos uma tecnologia viável, é necessário desenvolver MTJs estocásticos com tempos de relaxamento muito mais curtos, o que reduz a escala de tempo de flutuação do bit p. Isso aumentaria efetivamente a velocidade / precisão do cálculo.
Sinal de tensão transmitido medido em tempo real que reflete o estado de magnetização, bem como o estado de bit. Tempo de relaxar, definido como um tempo de comutação em média mais de 100 milhões de vezes por segundo, foi observado. Crédito:K. Hayakawa et al.
O grupo de pesquisa da Tohoku University, compreendendo Kanai, professor Hideo Ohno (o atual presidente da Tohoku University), e o professor Shunsuke Fukami, produziu um dispositivo MTJ em nanoescala com um eixo fácil magnético no plano (Fig. 1). A direção da magnetização é atualizada a cada 8 nanossegundos em média - 100 vezes mais rápido do que o recorde mundial anterior (Fig. 2).
O grupo explicou o mecanismo desse tempo de relaxamento extremamente curto, utilizando a entropia - uma quantidade física usada para representar a estocasticidade de sistemas que anteriormente não haviam sido considerados para a dinâmica de magnetização. Derivando uma equação universal que rege a entropia na dinâmica da magnetização, eles descobriram que a entropia aumenta rapidamente em MTJs com eixo fácil no plano com magnitudes maiores de anisotropia magnética perpendicular. O grupo empregou intencionalmente um eixo fácil magnético no plano para obter tempos de relaxamento mais curtos.
"O MTJ desenvolvido é compatível com os atuais processos de back-end-of-line de semicondutores e mostra uma promessa substancial para a realização futura de computadores probabilísticos de alto desempenho, "acrescentou Kanai." Nosso arcabouço teórico da dinâmica da magnetização, incluindo entropia, também tem ampla implicação científica, em última análise, mostrando o potencial da spintrônica para contribuir para questões discutíveis em física estatística. "
