Onderzoekers van de Universiteit van Californië hebben een doorbraak gemaakt in het ontwerpen van een zogenaamde ‘spin computer’. Door het invoeren van bewegende elektronen in het Nobelprijs winnende 1 atoom dikke materiaal grafeen creëren de wetenschappers een zeer snel en energiezuinig permanent geheugen. Eén elektron in het grafeen komt volgens het onderzoek neer op één bit opslag.

Opslagmedium en processor

Door meer data in te voeren, vergroten de wetenschappers direct het opslagvermogen van het grafeen. Daarnaast is het mogelijk om berekeningen in het grafeen zelf uit te voeren. Zo wordt het materiaal als opslagmedium en processor tegelijk gebruikt.

De theoretische snelheid van dit slimme geheugen ligt zo’n duizend keer hoger dan de snelste systemen die momenteel op de markt verschijnen. Dat komt doordat het materiaal grafeen zeer goed geleid, maar ook omdat het input/output knelpunt waar computers nu mee kampen wordt omzeild. Dat knelpunt ontstaat namelijk doordat in huidige computers de systeembus tussen de processor en een opslagmedium zit. Door de snelheid van het grafeen verdwijnt de opstarttijd van een computer bijvoorbeeld vrijwel helemaal.

Extreem energiezuinig

Naast supersnel zou een computer gebaseerd op de grafeenchip van de Amerikaanse onderzoekers in theorie extreem energiezuinig moeten zijn. In de praktijk pakt dat vooralsnog anders uit, want het geheugen gebruikt in de proefopstelling van de onderzoekers nog steeds minimaal evenveel energie als traditioneel RAM-geheugen. Het grafeen wordt wel veel minder heet, volgens de onderzoekers.

Halfgeleiderlaser

Het team van Kawakami heeft bij het ontwikkelen van de technologie gebruikgemaakt van een halfgeleiderlaser die de elektronen polariseert en ze zo een gerichte ‘draai’ mee kan geven. De ‘spin’ van die elektronen kan twee kanten op. De elektronen zorgen zo volgensKawakami voor meer dataopslag dan met de huidige elektronica, maar hij legt niet uit hoe dat precies werkt. Zodra de elektronen zijn gepolariseerd, blijven ze aanwezig tijdens de volledige levensduur van een chip. In het geval van grafeen is dat een 'eeuwigheid'.

Toch is de praktijk ook hier weerbarstiger dan de theorie. Volgens Kawakami is de levensduur vooralsnog namelijk duizenden malen korter dan die theoretisch zouden moeten zijn. Een langere levensduur is volgens de professor nodig omdat dan uiteindelijk ook meer berekeningen mogelijk zijn. In theorie is een levensduur van enkele microseconden per elektron mogelijk.

Zijn team is al wel in staat geweest om de levenstijd van de ‘spin’ te verlengen door een isolerende laag van een nanometer dik tussen de elektrode en de grafeenlaag te plaatsen. De levensduur wordt daardoor al dertig maal groter dan zonder de isolator.

Buizenelektronica

Professor Kawakami denkt dat hij en zijn onderzoeksteam binnen vijf jaar een op hun vinding gebaseerd apparaat uit kunnen brengen. Hij noemt de overgang van traditioneel geheugen en processors naar ‘spin computing’ vergelijkbaar met de overgang van de elektronenbuis naar transistors in de jaren ’50.