Turun yliopiston tiedote 15.3.2013

Nopeampia tietokoneita magneettisten puolijohteiden avulla



Spin-pohjaisen elektroniikan eli spintroniikan avulla pystytään vähentämään tietokoneiden virrankäyttöä ja lisäämään datankäsittelynopeutta. Spintroniikan ongelmana on ollut löytää komponentteihin soveltuvia materiaaleja. FM Ilari Ojalan fysiikan perustutkimuksessa tarkasteltiin kahden spintroniikan kannalta lupaavan puolijohdemateriaalin magneettisia ominaisuuksia.

Magneettisissa puolijohdemateriaaleissa pyritään yhdistämään tavallisten puolijohteiden sähköisiä sekä ferromagneettien magneettisia ominaisuuksia. Laimeissa magneettisissa puolijohteissa tämä tehdään lisäämällä puolijohdemateriaaleihin pieniä määriä magneettisia atomeja, kuten rautaa ja nikkeliä.

Pääsovellukset näille materiaaleille löytyvät spintroniikan komponenteista. Toisin kuin tavallisessa, elektronin varaukseen perustuvassa elektroniikassa, spintroniikassa käytetään varauksen lisäksi tai pelkästään elektronin toista kvanttimekaanista vapausastetta, spiniä.

Perustutkimuksesta materiaaleja käytännön sovelluksiin

Ilari Ojalan Wihurin fysiikantutkimuslaboratoriossa Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksella tekemän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia kahteen eri puolijohdemateriaaliin, kadmiumantimonidiin (CdSb) ja sinkkioksidiin (ZnO), pohjautuvien magneettisten puolijohteiden magneettisia ominaisuuksia.

Nikkelirikastetun CdSb:n havaittiin käyttäytyvän superparamagneettisesti. Tämä selitettiin näytekiteisiin muodostuvilla nikkelirikkailla alueilla. Pienen kokonsa vuoksi nämä ferromagneettiset alueet käyttäytyvät superparamagneettisesti.

ZnO:sta pyrittiin tekemään tekemään ferromagneettinen lisäämällä siihen rautaa. Rauta kuitenkin muodosti erillisen yhdisteen ZnFe(2)O(4), jolloin magneettinen transitiolämpötila jäi hyvin matalaksi, noin -260 °C:een.

Erillinen yhdiste saatiin hävitetyksi ja transitiolämpötilaa voitiin kohottaa seostamalla näytteisiin magnesiumia, jolloin korkeimmat havaitut transitiolämpötilat olivat noin 50 °C. Näytteiden magneettisia ominaisuuksia voitiin säädellä muuttelemalla raudan ja magnesiumin suhteita. Korkean transitiolämpötilan lisäksi tulosten kiinnostavuutta lisäsi epämagneettisen magnesiumin suuri vaikutus magneettisiin ominaisuuksiin.

Spintroniikalla nopeampia ja vähemmän sähköä kuluttavia tietokoneita

Spintroniikan potentiaalisia etuja tavalliseen elektroniikkaan verrattuna ovat etenkin suurempi datankäsittelynopeus ja pienempi sähkönkulutus. Esimerkkinä voidaan esittää magneettinen suorasaantimuisti, MRAM, jossa yhdistyvät nykyisten tietokoneiden dynaamisen suorasaantimuistin (DRAM) ja muistitikuissa käytettävän flash-muistin hyvät puolet.

MRAM vastaa nopeudeltaan DRAMia, mutta DRAMissa data on tallennettu kondensaattoreihin, joiden varaus häviää ajan myötä, joten datan säilyttämistä varten DRAMia pitää virkistää säännöllisesti. Tämä kuluttaa energiaa. MRAMissa magneettinen hystereesi säilyttää muistin sisällön, vaikka virta katkaistaisiinkiin. Flash-muisti on myös pysyvää muistia, mutta sen nopeus on vain pieni murto-osa MRAMin nopeudesta, ja toisin kuin MRAM, flash-muisti kuluu ja tulee lopulta käyttökelvottomaksi useiden kirjoitussyklien jälkeen.

Näiden ominaisuuksien vuoksi MRAMia käyttäen on mahdollista valmistaa tietokone, jossa MRAM korvaa erillisen keskusmuistin ja kiintolevyn. Tällaisesta tietokoneesta voidaan katkaista virta, ja käynnistyessään uudelleen se on välittömästi käyttötilassa ilman aikaavievää datansiirtoa kiintolevyn ja keskusmuistin välillä.

Tällä hetkellä käytetyin spintroniikan sovellus on magnetoresistanssiin perustuva tietokoneen kiintolevyn luku- ja kirjoituspää. Spintroniikan pääongelmana on löytää komponentteihin soveltuvia materiaaleja.

***

Lauantaina 23. maaliskuuta 2013 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantumin auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Jaakko Ilari Ojalan väitöskirja ”Magnetic Properties of CdSb Doped with Ni and ZnO Co-Doped with Fe and Mg” (Ni-rikastetun CdSb:n ja Fe- ja Mg-rikastetun ZnO:n magneettiset ominaisuudet). Virallisena vastaväittäjänä toimii tohtori Vadim Sirkeli Moldovan valtionyliopistosta ja kustoksena professori Petriina Paturi.

FM Ilari Ojala on syntynyt 1979 Pöytyällä ja kirjoittanut ylioppilaaksi vuonna 1998 Kastun lukiosta. Hän on valmistunut filosofian maisteriksi 2004 Turun yliopistosta. Väitös kuuluu fysiikan alaan.

Väittelijän yhteystiedot toimittajia varten:
puhelin 040 514 0489, s-posti ilaoja[at]utu.fi

Väittelijän kuva: http://www3.utu.fi/vaittelijat/ojala_ilari.jpg

Väitöskirjan myynti: Turun yliopiston verkkokauppa UTUshop, https://utushop.utu.fi/c/2-annales-universitatis-turkuensis/

Väitös on julkaistu Turun yliopiston sähköisessä julkaisuarkistossa: https://www.doria.fi/handle/10024/88745