Rekenen met nanomagneten

Een onderzoeksteam van de Notre Dame-universiteit in het Amerikaanse Indiana heeft een magnetisch systeem ontworpen om informatie te verwerken. Wolfgang Porod, directeur van het Notre Dame Center for Nano Science, en zijn medewerkers publiceerden hun resultaten in Science. De conventionele micro-elektronica evolueert door telkens kleinere transistoren te produceren om zo snellere en krachtigere computers te krijgen. De verwachting is echter dat deze strategie in de nabije toekomst tegen fysische grenzen zal aanlopen.

Porod en zijn team experimenteerden met zogenaamde Quantum-Dot Cellular Automata (QCA), logica zonder transistoren. Centraal in deze aanpak staat het kwantumpunt, een minuscule structuur waarin een elektron is te vangen. Verschillende kwantumpunten zijn te ordenen tot binaire draden, schakelaars en logische poorten. Omdat een QCA-chip niet werkt met bewegende elektronen, is er geen elektrische stroom en geeft de chip geen warmte af. Het QCA-principe heeft echter zijn eigen praktische problemen. Zo werkte de technologie alleen bij heel lage temperaturen. Het team van Notre Dame onderzocht daarom magnetische systemen om een QCA-chip te implementeren. Met elektronenstraallithografie construeerden de Amerikanen magnetische gebiedjes van ongeveer 100 nanometer, geordend in een kruis: een centrale magneet omringd door vier andere.

Naast drie van de perifere magneten plaatsten de onderzoekers drivernanomagneten met hun as loodrecht op die van de rest, die kunnen worden gebruikt als invoer. Door ze te bewegen of hun polen anders te richten verandert de pool van de middelste magneet als gevolg van de aan- en afstotingskrachten. Dat centrum neemt dan de toestand aan van de meerderheid van de drivers. De vierde omringende magneet inverteert die toestand weer en is te gebruiken als uitvoer. Door een van de invoermagneten vast op 0 of 1 te zetten, slaagden de Amerikanen erin om Nand- en Nor-poorten te construeren.