Kobalt en halfgeleider vormen basis voor elektronisch brein

Een grote uitdaging bij het ontwerpen van nieuwe computers is het integreren van de opslag, het geheugen en de rekenkracht op één chip. Dit zou de computers sneller en zuiniger maken. RUG natuurkundigen hebben een grote stap gezet in deze ontwikkeling door het ferromagnetische metaal kobalt te combineren met een speciale halfgeleider (strontium titanaat, SrTiO₃). Op het raakvlak van die twee ontstaat een zogeheten spin-memristor die informatie kan opslaan en verwerken. Hiermee is het mogelijk een op hersenen gebaseerde computer te ontwikkelen. Het onderzoek is 22 januari gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports.

De ontdekking van Tamalika Banerjee, hoogleaar Spintronica van Functionele Materialen aan het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) van de RUG, is te gebruiken om een computer te bouwen die een vergelijkbare architectuur heeft als ons brein. De combinatie van geheugen, opslag en verwerking van informatie zou dan werken als de synapsen waarmee zenuwcellen verbonden zijn. De synaps reageert op een externe stimulus, maar die reactie hangt af van de ‘herinnering’ van de synaps aan eerdere stimuli.

Netwerken

‘We denken nu na over hoe we met onze ontdekking een op de biologie gebaseerde computer kunnen bouwen’, vertelt Banerjee. Zo’n systeem zou heel anders werken dan de normale computers met een zogeheten ‘Von Neumann architectuur’. Het grote voordeel van het nieuwe ontwerp is dat dit vermoedelijk veel minder energie gebruikt en dus ook minder warmte produceert. ‘Dat is nuttig voor het ‘internet der dingen’, waarbij we allerlei verschillende apparaten en netwerken verbinden die daarmee echter onhoudbaar veel warmte produceren.’

Wat de onderzoekers maakten was een combinatie van het memristor effect (een memristor is een weerstand met een geheugen) dat optreedt in de halfgeleider met een opslagmechanisme gebaseerd op het TAMR-effect (tunnelling anisotropic magnetoresistance), een fenomeen dat gebaseerd is op het magnetisme in elektronen dat ontstaat door zogeheten spin. Beide fenomenen treden op bij kamertemperatuur. De SrTiO3 halfgeleider kan, in combinatie met een metaal zoals kobalt, informatie opslaan: een elektrisch veld kan het materiaal doen schakelen tussen een hoge en een lage weerstand. Dit heet elektro-weerstand.

Succes

Door het grensvlak van kobalt en halfgeleider aan een magnetisch veld bloot te stellen, in het vlak van de kobalt of juist loodrecht erop, is het mogelijk om de stroom die er via het TAMR-effect loopt met ongeveer 1,2 milliVolt te laten variëren. Op deze manier zijn twee effecten zijn te combineren in één materiaal bij kamertemperatuur, wat nog niet eerder is vertoond.

‘Wat dit betekent is dat we extra informatie op een permanente manier kunnen opslaan in de memristor, zodat er een simpele en elegante spin-memristor ontstaat die bij gewone temperaturen werkt’, legt Banerjee uit. Tot nu toe liepen pogingen om op spin gebaseerde opslag, geheugen en rekenkracht te combineren vast op onder meer de ingewikkelde architectuur van het materiaal.

De sleutel tot het succes van Banerjee en haar groep zit in het grensvlak tussen het kobalt en de halfgeleider. ‘We hebben laten zien dat een isolerend laagje aluminiumoxide van maar 1 nanometer dik het hele TAMR effect doet verdwijnen’, zegt Banerjee. Het was nogal een klus om dat grensvlak de juiste eigenschappen te geven. De eigenschappen van halfgeleiders hangen deels af van onzuiverheden die er met opzet worden ingebracht, het zogeheten ‘doteren’. Banerjee gebruikte niobium dotering en door de hoeveelheid te variëren kon zij de sterkte van het TAMR effect optimaliseren. Dat zou niet gelukt zijn in een gewone halfgeleider van silicium, waar de meeste computerchips van gemaakt zijn. ‘Je hebt de zware atomen uit het strontium-titanaat nodig om de elektronenspins te beïnvloeden via de zogeheten spinbaan-koppeling dat voor het sterke TAMR effect zorgt.’

Hersenen

De natuurkunde van wat zich precies afspeelt op het grensvlak van kobalt en de strontium halfgeleider is ingewikkeld en er is nog meer onderzoek nodig om dit goed te begrijpen. Banerjee: ‘Als we het beter begrijpen kunnen we het systeem ook verder verbeteren. Daar werken we nu aan. Maar op dit moment doet het systeem het al goed, dus willen we eigenlijk een complexer systeem maken met deze spin-memristors, zodat we algoritmen kunnen testen die gebaseerd zijn op het leervermogen van de hersenen.’ Het ontwerp van de schakeling die Banerjee ontwikkelde is relatief simpel. Opschalen naar een architectuur waarmee echt gerekend kan worden is de volgende stap.

Wat Banerjee vooral fascineert is de mogelijkheid om met haar vinding een computer te bouwen die net zo werkt als ons brein. ‘De hersenen zijn een geweldige computer omdat ze grote hoeveelheden informatie parallel verwerken. Daardoor gebruikt het brein veel minder energie dan een gewone supercomputer. ‘ De recente ontdekkingen van haar team kunnen de weg openen naar op dat brein geïnspireerde computers.

Referentie: Alexander M. Kamerbeek, Roald Ruiter and Tamalika Banerjee: Large room-temperature tunneling anisotropic magnetoresistance and electroresistance in single ferromagnet/Nb:SrTiO3 Schottky devices. Scientific Reports 22 January 2018 DOI:10.1038/s41598-018-19741-z