Materiały magnetyczne 2D zwiększają efektywność energetyczną komputerów

Eksperymentalne pamięci komputerowe i procesory zbudowane z materiałów magnetycznych zużywają znacznie mniej energii niż tradycyjne urządzenia na bazie krzemu. Złożone z warstw o ​​grubości zaledwie kilku atomów, materiały magnetyczne 2D mają niesamowite właściwości, które mogą pozwolić urządzeniom opartym na magnetyzmie osiągnąć niespotykaną szybkość, wydajność i skalowalność.

Chociaż zanim tak zwane materiały magnetyczne van der Waalsa będą mogły zostać zintegrowane z działającymi komputerami, trzeba pokonać wiele przeszkód, badacze z MIT wykonali ważny krok w tym kierunku, wykazując precyzyjną kontrolę magnesów van der Waalsa w temperaturze pokojowej.

Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ magnesami wykonanymi z atomowo cienkich materiałów van der Waalsa można sterować jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach, co utrudnia ich zastosowanie poza laboratorium.

Naukowcy wykorzystali impulsy prądu elektrycznego do zmiany kierunku magnesowania urządzenia w temperaturze pokojowej. Przełączanie magnetyczne można wykorzystać w obliczeniach w taki sam sposób, w jaki tranzystor włącza się i wyłącza, aby przedstawić 0 i 1 w kodzie binarnym lub w pamięci komputera, gdzie przełączanie umożliwia przechowywanie danych.

Zespół wystrzelił impulsy elektronów w kierunku magnesu wykonanego z nowego materiału, który może utrzymać swój magnetyzm w wyższych temperaturach. W eksperymencie wykorzystano podstawową właściwość elektronów zwaną spinem, która powoduje, że elektrony zachowują się jak małe magnesy. Kontrolując spin elektronów uderzających w urządzenie, badacze mogą zmieniać jego namagnesowanie.

„Opracowane przez nas urządzenie heterostrukturalne wymaga o rząd wielkości niższego prądu elektrycznego do przełączania magnesów van der Waalsa niż wymagany w przypadku masowych urządzeń magnetycznych” – mówi Deblina Sarkar, adiunkt w dziale rozwoju kariery AT&T w MIT Laboratory and Media Center. Doktor inżynierii neurobiologicznej, kierownik laboratorium Nano-Cybernetic Biotrek i główny autor artykułu na temat tej technologii. „Nasze urządzenie jest również bardziej energooszczędne niż inne magnesy van der Waalsa, które nie mogą się przełączać w temperaturze pokojowej”.

W przyszłości magnesy te można będzie wykorzystać do budowy szybszych komputerów, które zużywają mniej energii. Może także umożliwić wykorzystanie nieulotnych magnetycznych pamięci komputerowych, co oznacza, że ​​po wyłączeniu nie będą wyciekać informacje, ani procesorów, które sprawią, że złożone algorytmy sztucznej inteligencji będą bardziej energooszczędne.

„Próba ulepszenia materiałów, które sprawdziły się w przeszłości, charakteryzuje się dużą bezwładnością” – mówi Shivam. „Ale pokazaliśmy, że jeśli dokonasz radykalnych zmian, zaczynając od ponownego przemyślenia używanych materiałów, prawdopodobnie uzyskasz znacznie lepsze rozwiązania.” Cajali, absolwentka laboratorium Sarkara i współautorka tego artykułu.

Do Cajali i Sarkara w artykule dołączył współautor Thanh Nguyen, absolwent Wydziału Nauki i Inżynierii Jądrowej (NSE); Corson Zhao, absolwent Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej (DSME); David Bono, pracownik naukowy w DSME; Artitaya Bunkerd, absolwentka NSE; oraz Mingda Li, profesor nadzwyczajny nauk i inżynierii nuklearnej. szukaj Pojawia się w tym tygodniu W komunikacji przyrodniczej.

Cienka funkcja atomowa

Metody wytwarzania małych chipów komputerowych w czystym pomieszczeniu z materiałów nieporęcznych, takich jak krzem, mogą utrudniać pracę urządzeń. Na przykład warstwy materiału mogą mieć grubość zaledwie 1 nanometra, więc małe szorstkie plamy na powierzchni mogą być na tyle poważne, że pogarszają wydajność.

Z kolei materiały magnetyczne van der Waalsa są z natury warstwowe i mają taką strukturę, że powierzchnia pozostaje idealnie gładka, nawet gdy badacze oderwą warstwy, aby stworzyć cieńsze urządzenia. Ponadto atomy w jednej warstwie nie będą przedostawać się do innych warstw, dzięki czemu materiały zachowują swoje unikalne właściwości po ułożeniu ich w urządzenia.

„Jeśli chodzi o zwiększenie skali tych urządzeń magnetycznych i uczynienie ich konkurencyjnymi w zastosowaniach komercyjnych, najlepszym rozwiązaniem są materiały van der Waalsa” – mówi Cagalli.

Ale jest w tym haczyk. Ta nowa klasa materiałów magnetycznych zwykle działa w temperaturach poniżej 60 K (-351 °F). Aby zbudować magnetyczny procesor lub pamięć komputera, badacze muszą wykorzystać prąd elektryczny do zasilania magnesów w temperaturze pokojowej.

Aby to osiągnąć, zespół skupił się na nowym materiale zwanym tellurkiem galu i żelaza. Ten atomowo cienki materiał ma wszystkie właściwości niezbędne do skutecznego magnetyzmu w temperaturze pokojowej i nie zawiera pierwiastków ziem rzadkich, które są niepożądane, ponieważ ich ekstrakcja jest szczególnie destrukcyjna dla środowiska.

Nguyen ostrożnie wyhodował duże kryształy tego dwuwymiarowego materiału, stosując specjalną technikę. Następnie Cagalli wyprodukował dwuwarstwowe urządzenie magnetyczne, wykorzystując nanoarkusze tellurku żelaza i galu pod warstwą platyny o grubości sześciu nanometrów.

Mając pod ręką małe urządzenie, wykorzystali wewnętrzną właściwość elektronów zwaną spinem, aby zmienić ich namagnesowanie w temperaturze pokojowej.

Elektronowy ping-pong

Chociaż elektrony z technicznego punktu widzenia nie „wirują” jak szczyt, mają ten sam typ momentu pędu. Ten obrót ma kierunek w górę lub w dół. Naukowcy mogą wykorzystać właściwość znaną jako sprzężenie spin-orbita do kontrolowania spinu elektronów strzelanych do magnesu.

W ten sam sposób, w jaki pęd jest przenoszony, gdy jedna kula zderza się z drugą, elektrony przenoszą swój „pęd spinowy” na dwuwymiarowy materiał magnetyczny, gdy w niego uderzają. W zależności od kierunku ich wirowania, to przeniesienie pędu może prowadzić do odwrócenia namagnesowania.

W pewnym sensie to przeniesienie powoduje obrót namagnesowania z góry na dół (lub odwrotnie), dlatego nazywa się to „momentem obrotowym”, podobnie jak momenty przełączające na orbicie. Przyłożenie ujemnego impulsu elektrycznego powoduje spadek namagnesowania, natomiast przyłożenie dodatniego impulsu powoduje jego wzrost.

Naukowcy mogą dokonać tego przełącznika w temperaturze pokojowej z dwóch powodów: specjalnych właściwości tellurku żelaza i galu oraz faktu, że ich technika wykorzystuje niewielkie ilości prądu elektrycznego. Pompowanie zbyt dużego prądu do urządzenia może spowodować jego przegrzanie i rozmagnesowanie.

Cagalli mówi, że w ciągu dwóch lat, których potrzebował do osiągnięcia tego wyczynu, zespół stanął w obliczu wielu wyzwań. Znalezienie odpowiedniego materiału magnetycznego to tylko połowa sukcesu. Ponieważ tellurek galu i żelaza szybko się utlenia, produkcję należy przeprowadzać w komorze rękawicowej wypełnionej azotem.

„Urządzenie jest wystawione na działanie powietrza tylko przez 10–15 sekund, ale nawet potem muszę je polerować, aby usunąć wszelki tlenek” – mówi.

Teraz, gdy wykazali przełączanie temperatury pokojowej i większą efektywność energetyczną, badacze planują dalsze ulepszanie wydajności materiałów magnetycznych van der Waalsa.

„Naszym kolejnym celem jest osiągnięcie przełączania bez potrzeby stosowania zewnętrznych pól magnetycznych” – mówi Sarkar. „Naszym celem jest udoskonalenie i skalowanie naszej technologii, aby zapewnić wszechstronność magnesów van der Waalsa w zastosowaniach komercyjnych”.

Prace te wykonano częściowo przy wykorzystaniu obiektów Massachusetts Institute of Technology (MIT.Nano) i Harvard University Center for Nanosystems.