_ Cercetătorii folosesc materiale magnetice 2D pentru calculatoare eficiente din punct de vedere energetic

Memoriile și procesoarele experimentale ale computerelor construite din materiale magnetice folosesc mult mai puțină energie decât dispozitivele tradiționale pe bază de siliciu. Materialele magnetice bidimensionale, compuse din straturi care au o grosime de doar câțiva atomi, au proprietăți incredibile care ar putea permite dispozitivelor bazate pe magnetice să atingă o viteză, eficiență și scalabilitate fără precedent.

În timp ce multe obstacole trebuie depășite până când aceste așa-numite materiale magnetice van der Waals pot fi integrate în computere funcționale, cercetătorii MIT au făcut un pas important în această direcție, demonstrând controlul precis al unui magnet van der Waals la temperatura camerei.

Acesta este cheia. , deoarece magneții compuși din materiale van der Waals subțiri din punct de vedere atomic pot fi de obicei controlați numai la temperaturi extrem de scăzute, ceea ce îi face dificil de instalat în afara unui laborator.

Cercetătorii au folosit impulsuri de curent electric pentru a schimba direcția magnetizarea dispozitivului la temperatura camerei. Comutarea magnetică poate fi utilizată în calcul, în același mod în care un tranzistor comută între deschis și închis pentru a reprezenta 0 și 1 în cod binar sau în memoria computerului, unde comutarea permite stocarea datelor. Cercetarea este publicată în Nature Communications.

Echipa a lansat rafale de electroni către un magnet realizat dintr-un material nou care își poate susține magnetismul la temperaturi mai ridicate. Experimentul a folosit o proprietate fundamentală a electronilor, cunoscută sub numele de spin, care face ca electronii să se comporte ca niște magneți minusculi. Prin manipularea rotației electronilor care lovesc dispozitivul, cercetătorii pot comuta magnetizarea acestuia.

„Dispozitivul cu heterostructură pe care l-am dezvoltat necesită un curent electric cu un ordin de mărime mai mic pentru a comuta magnetul van der Waals, în comparație cu ceea ce este necesar pentru dispozitivele magnetice în vrac”, spune Deblina Sarkar, profesor asistent de dezvoltare a carierei AT&T în cadrul MIT Media Lab și Centrul de Inginerie Neurobiologică, șeful Laboratorului Nano-Cybernetic Biotrek și autorul principal al unei lucrări despre această tehnică. „Dispozitivul nostru este, de asemenea, mai eficient din punct de vedere energetic decât alți magneți van der Waals care nu pot comuta la temperatura camerei.”

În viitor, un astfel de magnet ar putea fi folosit pentru a construi computere mai rapide, care consumă mai puțină energie electrică. Ar putea activa, de asemenea, memoriile magnetice ale computerelor care sunt nevolatile, ceea ce înseamnă că nu scurg informații atunci când sunt oprite, sau procesoare care fac algoritmii AI complecși mai eficienți din punct de vedere energetic.

„Există multă inerție în jurul valorii de încercând să îmbunătățească materialele care au funcționat bine în trecut. Dar am arătat că dacă faci schimbări radicale, începând prin a regândi materialele pe care le folosești, poți obține soluții mult mai bune", spune Shivam Kajale, un student absolvent în laboratorul lui Sarkar. și coautorul principal al lucrării.

Metodele de fabricare a cipurilor de calculator minuscule într-o cameră curată din materiale în vrac, cum ar fi siliciul, pot împiedica dispozitivele. De exemplu, straturile de material pot avea o grosime de abia 1 nanometru, astfel încât punctele aspre minuscule de pe suprafață pot fi suficient de severe pentru a degrada performanța.

În schimb, materialele magnetice van der Waals sunt stratificate intrinsec și structurate în astfel încât suprafața să rămână perfect netedă, chiar dacă cercetătorii dezlipesc straturi pentru a face dispozitive mai subțiri. În plus, atomii dintr-un strat nu se vor scurge în alte straturi, permițând materialelor să-și păstreze proprietățile unice atunci când sunt stivuite în dispozitive.

„În ceea ce privește scalarea și a face aceste dispozitive magnetice competitive pentru aplicațiile comerciale, Materialele van der Waals sunt calea de urmat”, spune Kajale.

Dar există o captură. Această nouă clasă de materiale magnetice a fost operată de obicei doar la temperaturi sub 60 Kelvin (-351 grade Fahrenheit). Pentru a construi un procesor magnetic de computer sau o memorie, cercetătorii trebuie să utilizeze curent electric pentru a acţiona magnetul la temperatura camerei.

Pentru a realiza acest lucru, echipa sa concentrat pe un material emergent numit telurura de fier galiu. Acest material subțire din punct de vedere atomic are toate proprietățile necesare pentru un magnetism eficient la temperatura camerei și nu conține elemente de pământuri rare, care sunt nedorite, deoarece extragerea lor este deosebit de distructivă pentru mediu.

Nguyen a crescut cu grijă cristale în vrac ale acestui material. Material 2D folosind o tehnică specială. Apoi, Kajale a fabricat un dispozitiv magnetic cu două straturi folosind fulgi la scară nanometrică de telurura de fier de galiu sub un strat de șase nanometri de platină.

Dispozitiv mic în mână, au folosit o proprietate intrinsecă a electronilor cunoscută sub numele de spin pentru a comuta. magnetizarea sa la temperatura camerei.

Deși electronii nu se „învârtesc” din punct de vedere tehnic ca un vârf, ei posedă același tip de moment unghiular. Acea rotire are o direcție, fie în sus, fie în jos. Cercetătorii pot folosi o proprietate cunoscută sub numele de cuplare spin-orbită pentru a controla spin-urile electronilor pe care îi declanșează magnetului.

În același mod în care impulsul este transferat atunci când o minge lovește alta, electronii își vor transfera „impulsul de rotație”. " la materialul magnetic 2D atunci când îl lovesc. În funcție de direcția învârtirilor lor, transferul de impuls poate inversa magnetizarea.

Într-un anumit sens, acest transfer rotește magnetizarea de sus în jos (sau invers), așa că se numește „cuplu”. ," ca în comutarea cuplului de rotație pe orbită. Aplicarea unui impuls electric negativ face ca magnetizarea să scadă, în timp ce un impuls pozitiv o face să meargă în sus.

Cercetătorii pot face această comutare la temperatura camerei din două motive: proprietățile speciale ale telururii de fier și galiu și faptul că tehnica lor folosește cantități mici de curent electric. Pomparea prea multă curent în dispozitiv l-ar cauza supraîncălzirea și demagnetizarea.

Echipa s-a confruntat cu multe provocări în cei doi ani necesari pentru a atinge această etapă, spune Kajale. Găsirea materialului magnetic potrivit a fost doar jumătate din luptă. Deoarece telurura de fier de galiu se oxidează rapid, fabricarea trebuie făcută într-o torpedo umplută cu azot.

„Dispozitivul este expus la aer doar 10 sau 15 secunde, dar chiar și după aceea trebuie să fac un pas în care Îl lustruiesc pentru a îndepărta orice oxid”, spune el.

Acum, după ce au demonstrat schimbarea temperaturii camerei și o eficiență energetică mai mare, cercetătorii intenționează să continue să promoveze performanța materialelor magnetice van der Waals.

"Următorul nostru punct de hotar este să realizăm comutarea fără a fi nevoie de câmpuri magnetice externe. Scopul nostru este să ne îmbunătățim tehnologia și să ne extindem pentru a aduce versatilitatea magnetului van der Waals în aplicațiile comerciale", spune Sarkar.

Această poveste este republicată datorită MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetare, inovare și predare MIT.

(Fluierul)