Nanoscience

photo credit: Levoodoo, CC BY-NC

Dasar dari elektronik adalah ukuran dari muatan listrik dari elektron yang melalui sirkuit elektronik. Sebuah pendekatan alternatif yang sedang dikembangkan adalah spintronik, dimana tidak lagi bergantung pada muatan elektron, melainkan menggunakan salah satu sifat dasar kuantum mekaniknya: spin.

Spin dapat digambarkan sebagai Bumi yang berputar pada sumbunya sambil mengelilingi matahari. Dengan cara yang sama, elektron berputar pada sumbunya sambil mengitari inti atom. Spin hanya ada “naik” atau “turun”. Sama seperti halnya elektronik secara sederhana menggunakan muatan untuk merepresentasikan nol dan satu, dua keadaan spin juga dapat digunakan untuk merepresentasikan data binari pada spintronik.

Spin dapat diukur karena menghasilkan medan magnet yang kecil. Logam seperti besi menjadi magnet, sebagai contoh, ketika cukup bnayak partikrl yang mempunyai spin dengan arah yang sama, menimbulkan medan magnet yang polaritasnya sama dengan spinnya.

Spintronik mempunyai beberapa kelebihan dibanding dengan elektronik biasa. Elektronik butuh material semikonduktor spesial untuk mengontrol aliran muatan melalui transistor. Tapi spin dapat diukur secara sederhana dalam logam biasa seperti tembaga atau alimunium. Energi yang dibutuhkan lebih kecil untuk mengubah spin daripada untuk menghasilkan aliran listrik untuk menjaga muatan elektron dalam peralatan, jadi spintronik menggunakan daya lebih rendah.

Keadaan spin dapat diatur secara sepat, yang dapat membuat data transfer lebih cepat. Dan karena spin elektron tidak bergantung pada energi, spin tidak mudah hilang – informasi yang dikirim menggunakan spin masih tetap meski setelah kehilangan daya.

Upgrade Hard Disk dengan spin

Aplikasi pertama dari spintronik pada komputer ditunjukkan oleh dihadiahkannya Nobel Fisika 2007 kepada Professor Alber Fert dan Peter Grünberg untuk penemuan mereka giant magnetoresistance (GMR). Mereka menyadari bahwa dimungkinkan untuk menggunakan spin elektron untuk meningkatkan kecepatan membaca informasi dari hard disk drive dan mengembangkan teknologi dasar untuk memanfaatkan fitur ini.

Sebuah hard disk, menunjukkan pola meligkar dan read/write head berada pada ujung lengan. drive by mike mols/shutterstock.com

Sebuah hardisk menyimpan data sebagai satu dan nol secara magnetis pada kepingan disk yang berputar didalam drive. Medan magnet terbentuk ketika elektron mengalir melalui gulungan kabel pada write head yang bergerak pada permukaan kepingan disk, menggubah deretan partikel sensitif magnet pada permukaan kepingan disk. Membalik aliran elektron akan membalik hasilnya; dua arah ini menunjukkan satu dan nol. Untuk membaca dari disk, prosesnya berkebalikan.

Read/write head dari hard disk

Head adri GMR drive terdiri atas dua layer feromagnetik, satu dengan arah medan magnet yang tetap dan yang lain bebas untuk disejajarkan dengan medan magnet pada disk, dengan layer non-magnet berada diantaranya.

Ketika seuah elektron melalui medan magnet, keadaan spin-nya bisa saja berubah, dikenal sebagai penghamburan. Dimana elektron mempunyai  spin terhamburkan yang random, hal ini menimbulkan hambatan yang besar bagi arus listrik. Dengan menyusun spin elektron sesuai dengan medan magnet pada layer di head drive, teknologi GMR mengurangi hambatan secara drastis dan mempercepat pemindahan data. Pertama kali dikenalkan oleh IBM pada 1997, teknologi GMR telah membawa kita pada dive yang lebih cepat dan dengan densitas lebih tinggi dari sebelumnya.

Meletakkan spin baru pada memori

Peneliti spintronik sudah melakukan pengenalan teknologi yang sama pada memori komputer, bertujuan untuk menggantikan dynamic random access memory (DRAM) yang berdasarkan pada arus listrik dengan RAM magnetik (MRAM). Produk komersial oleh Everspin telah digunakan pada pesawat airbus dan sepeda motor BMW karena ketahanannya akan tekanan panas atau radiasi kosmik – sesuatu yang mempengaruhi perjalan pesawat pada ketinggian.

MRAM memakai pendekatan yang sama medan magnet berdasarkan spin elektron, tapi menggunakan cell tahan magnet untuk menyimpan data, bukan kepingan disk yang berputar seperti pada hard disk. Meski tidak secepat DRAM, cell magnetik mampu mempertahankan orientasu spin mereka yang tersimpan, dan hasilnya data tetap tersimpan, tanpa daya listrik. MRAM sepertinya akan menggantikan memori flash yang biasa digunakan seperti SD card dan Ccompact flash terlebih dahulu, karena lebih cepat dan tidak terbatas pada umur seperti memori flash.

Produsen lain seperti Intel, Qualcomm, Toshiba dan samsung mengembangkan MRAM untuk digunakan sebagai memori cache prosesor, dimana kelebihannya adalah ukuran MRAM yang lebih kecil dengan kapasitas yang lebih besar dapat di kombinasikan dengan paket yang lebih kecil yang lebih cepat, dan menggunakan daya 80% lebih rendah daripada memori cache saat ini.

Dengan terbatasnya pendekatan elektron pada silikon, komponen spintronik akan memainkan peranan penting dalam peningkatan performa, dan kecepatan, penyimpanan data kapasitas tinggi yang murah dan berdaya rendah.(ifls)