Grafen - materiál budoucnosti

Grafen neboli vrstva uhlíku tloušťky jednoho atomu, za jejíž výzkum dostali nedávno Nobelovu cenu Andre Geim a Konstantin Novoselovov, má spoustu zajímavých (a ještě více neprobádaných) vlastností. V rychlosti si připomeňme, že IBM předvedla, jak se tranzistory na bázi grafenu dokáží spínat frekvencí 100 GHz, výzkumníci v Kalifornské univerzitě v Los Angeles dokonce zvládli 300 GHz (s výhledem až na 1 THz), uplatnění už našel grafen dokonce i při výrobě kondenzátorů. Nyní si vědci v CU Riverside hrají se spiny elektronů, které vkládají do grafenu. Podařil se jim krok, kterým přiblížili vývoj blíže k tzv. „spinovým počítačům“ (spin computers). Říká se mu tunneling spin injection („tunelové vkládání spinu“).

„Grafen má jedny z nejlepších vlastností pro přenos spinu při pokojové teplotě,“ vysvětluje profesor Roland Kawakami, který vede tým vědců. „Tím se stává slibným kandidátem pro spinové počítače. Elektrické vkládání spinů do grafenu z feromagnetické elektrody je neefektivní, avšak větší obavy máme z toho, že životnost spinu je několika tisícinásobně menší, než bychom očekávali. Chtěli bychom životnost spinu prodloužit, protože čím bude delší, tím více výpočetních operací můžeme provést.“

Řešení tohoto problému nalezl Kawakami se svým týmem vložením nanometrové vrstvy izolantu mezi feromagnetickou elektrodu a vrstvu grafenu. Tuto vrstvu izolantu nazývají „tunelová bariéra“ (tunnel barier) a jejím použitím se podařilo dosáhnout znatelného zvýšení efektivity vkládání spinu. „Zaznamenali jsme 30násobné zlepšení efektivity vkládání spinu pomocí kvantového tunelování přes izolant do grafenu. Neméně zajímavé je, že izolant fungoval jako jakási jednosměrná záklopka, která zajišťovala tok elektronů z elektrody do grafenu, zpátky ni krok. Izolant nám tedy udržuje vložené spiny v grafenu, což je důvodem vysoké efektivity vkládání spinů. Tento neočekávaný výsledek je první demonstrací tunelového vkládání spinu do grafenu a dosahujeme v efektivitě této činnosti rekordních hodnot.“

Kawakami dále vysvětluje, že zkoumání délky životnosti spinu se provádí tzv. Hanleho měřením využívajícím feromagnetický detektor spinu ke sledování spinu elektronů v grafenu podle toho, jak mění směr k externímu magnetickému poli. Typická hodnota životnosti spinu je zhruba 100 pikosekund, zatímco při vložení tunelové bariéry mezi detektor a grafen byla naměřena životnost zhruba 500 pikosekund (půl nanosekundy). Wei Han z Kawakamiho týmu k tomu uvedl: „Lidé obvykle předpokládají, že Hanleho měření přesně zjišťuje životnost spinu, jenže naše výsledky ukazují její značné podcenění, pokud se feromagnet dotýká grafenu. To je dobrá zpráva, protože to znamená, že skutečná životnost spinu musí být delší, než ukazují předchozí zjištění. Potenciálně o hodně delší. Mohou to být dokonce mikrosekundy, čímž se stává grafen velice atraktivním materiálem pro ‘spin computer’.“

Tvoření izolační bariéry na grafenu není jednoduchý proces. Izolant má na vrstvičce grafenu tendenci vytvářet shluky, neboť grafen je obecně ne příliš ochotný se pojit s takovým materiálem. Kawakami se svým týmem tento problém obešel nanesením půl atomu tenké vrstvy titanu na grafen za použití metody zvané epitaxe z molekulárních svazků (MBE). Zjistili, že titanová vrstva zabraňuje izolantu tvořit na grafenu shluky a odpadávat z něj. (Jestli se ptáte, jak se nanáší rozpůleny atom titanu, pak tím patrně mysleli, ze vrstvička je z půli zanořena do grafenu – tak je s ním spojena.)

Běžný smrtelník se asi ptá, k čemu je to vlastně dobré. Tento způsob vkládání spinů elektronů totiž v grafenu představuje datovou informaci. Tým profesora Kawakamiho používá pro polarizaci (spin) elektronů polovidičový laser, čímž dá elektronům polaritu (směr spinu). Jakmile mají elektrony daný spin, zůstávají na místě po dobu životnosti čipu, což v případě grafenu znamená prakticky věčnost. A pokud se do grafenu takovýchto bitů vloží více, nejenže mohou být použity podobně jako „data ve flash paměti“ (uložení je uchováno i bez přísunu napájení), ale mohou být použity i jako části logických obvodů. Tím by se dal odstranit jev známý jako von Neumann Bottleneck („von Neumannovo úzké hrdlo“), což je samotné rozhraní mezi procesorem a datovým úložištěm.

Neméně důležitým aspektem je také energetická náročnost. Kawakami tvrdí, že momentálně grafenová technologie spinu vyžaduje více energie než třeba tradiční DRAM paměti, jelikož je ale vývoj na počátku, počítá se s tím, že se energetické nároky budou snižovat a s nimi se budou zmenšovat podpůrné obvody danou činnost vykonávající.

Výsledkem by mohla být „paměť, která má mozek“ (kombinace non-volatile paměti a logiky) a s trochou fantazie si můžeme představit počítače, které v budoucnu nebudou muset bootovat, protože si budou svůj aktuální stav neustále pamatovat. Zajímavé je, že vědci by chtěli zhruba za pět let přijít s nějakým funkčním zařízením používajícím čipy na bázi grafenu. My si myslíme, že tak rychlé to zase nebude, ale rádi se necháme mile překvapit. V souvislosti s grafenem se hovoří o podobném objevu, jako když byly vakuové elektronky nahrazeny tranzistory.