Spinn på framtidens elektronik

Förra året fyllde hårddisken 50 år. Den allra första lanserades den 4 september 1956, vägde ett ton och kunde lagra 5 megabyte på femtio separata skivor, var och en med en diameter på drygt en halvmeter. Uttryckt i dagens penningvärde fick man betala 6 miljoner kronor per megabyte. I dag får hårddiskar med tusen gånger större minne plats i en mobiltelefon, och kostnaden kan vara under 0,3 öre per megabyte.

I år kan vi också för första gången köpa hårddiskar på en terabyte till vår dator därhemma (tera = biljon, eller tusen miljarder). Det motsvarar en 2,3 meter hög stapel med cd eller en 2 kilometer hög stapel med disketter, och rymmer en miljon foton, 300 000 mp3-låtar eller mer än två veckor dvd-film! Och utvecklingen snarare accelererar än tappar fart.

Det som gjort de nya hårddiskarna möjliga är spinntronik – området som jag forskar på. I spinntronik utnyttjas inte bara elektronernas laddning utan också deras spinn, som i sin tur kontrollerar deras magnetiska egenskaper. Just kombinationen av magnetiska och elektriska egenskaper gör det möjligt att skapa extremt känsliga och snabba sensorer för magnetiska fält. Hårddiskens läshuvud flyger på bara några nanometers höjd över hårddiskens yta och kan på mindre än en nanosekund mäta det svaga magnetfältet från skivan. Spinntroniken gör det möjligt att skapa sensorer baserade på så kallade magnetiska tunnlingselement, vars elektriska resistans ändrar sig blixtsnabbt när de känner av ett magnetiskt fält.

Universalminne

Spinntroniken börjar nu också att hitta fler tillämpningar. Förra sommaren lanserades magnetiskt arbetsminne, MRAM. Precis som hårddiskar behåller MRAM sin information även när strömmen försvinner, men medan hårddiskar är långsamma och har mekaniska rörliga delar, är MRAM lika snabba som ett vanligt arbetsminne och byggda som ett vanligt chips. De är också mycket snabbare än de flash-minnen som sitter i digitala kameror och mp3-spelare. MRAM har därför potentialen att bli ett universalminne – ett datorminne som på en och samma gång ersätter traditionellt arbetsminne, processorminne och långtidsminne.

Det här får stora konsekvenser för oss användare. En dator med MRAM startar på ett ögonblick eftersom operativsystemet inte behöver hämtas från hårddisken, utan ligger färdigt i arbetsminnet. Varken processorn eller arbetsminnet behöver heller dra någon nämnvärd ström när datorn väntar på användaren. Dagens standby- och vilolägen blir därmed onödiga – datorn är helt enkelt alltid i en sorts standbyläge och kan förbli där i månader utan att batteriet tar slut, och startar omedelbart när användaren så önskar.

MRAM kommer också att få stor betydelse för så kallade inbyggda system: små ett-chips-datorer som sitter i allt från mikrovågsugnar och kopiatorer till bilmotorer. I dag trängs ofta tre sorters minnen på samma krets och gör tillverkningsprocessen dyr. MRAM ersätter alla dessa minnen och kan också byggas som en integrerad del av chipset. Det kommer att göra underverk vad gäller tillverkningskostnaden, sys-temkomplexiteten och strömförbrukningen.

Sverige är i dag långt framme vad gäller design av inbyggda system. Med den nya MRAM-teknologin kommer detta område att utvecklas än snabbare.

Trådlös spinnkommunikation

Spinntronikforskningen handlar i dag mycket om nästa generations MRAM, men också om helt nya komponenter som kan revolutionera andra teknikområden än datorer. Till exempel kan ett magnetiskt tunnlingselement användas som en svängningskrets, eller oscillator, för trådlös kommunikation. Idén presenterades 1996 av två oberoende forskare och testades experimentellt 1999. Sedan dess har komponenten blivit bättre vad gäller både styrka och kvalitet på signalen. Det mest revolutionerande är att svängningskretsen är i nanometerskala, medan dagens motsvarande kretsar tar flera kvadratmillimeter i anspråk. Den spinntroniska oscillatorn kan också arbeta över ett stort antal frekvenser, aktuella för allt från mobiltelefoner till bilradar.

Vid Kungliga Tekniska högskolan i Kista bedriver min forskargrupp både krets- och komponentforskning på spinntroniska oscillatorer. Vi ägnar oss också åt grundforskning inom de material som behövs för dessa komponenter. Tack vare att själva produktionstekniken för oscillatorn är densamma som för MRAM, förväntar vi oss en snabb utveckling till färdig produkt när komponenterna i laboratoriet uppfyller alla de krav som tillämpningarna ställer på dem. Just bilradar är ett område där traditionell teknik redan finns men där höga kostnader sätter stopp för en bredare användning. Med spinntroniska oscillatorer är det möjligt att reducera kostnaden till kanske en fjärdedel, och därmed få mycket större genomslagskraft för en teknik som bevisligen räddar liv i trafiken.