_ Propulsarea magneților stratificati atomic spre computere verzi< /h3>

La nivel mondial, calculul este în plină expansiune într-un ritm fără precedent, alimentat de avantajele inteligenței artificiale. Prin aceasta, cererea uluitoare de energie a infrastructurii de calcul a lumii a devenit o preocupare majoră, iar dezvoltarea de dispozitive de calcul care sunt mult mai eficiente din punct de vedere energetic este o provocare principală pentru comunitatea științifică.

Utilizarea magnetice. materialele pentru construirea dispozitivelor de calcul precum memoriile și procesoarele au apărut ca o cale promițătoare pentru crearea de computere „dincolo de CMOS”, care ar folosi mult mai puțină energie în comparație cu computerele tradiționale. Comutarea magnetizării în magneți poate fi utilizată în calcul în același mod în care un tranzistor comută de la deschis sau închis pentru a reprezenta 0 și 1 din codul binar.

În timp ce o mare parte din cercetările de-a lungul acestei direcții s-au concentrat pe utilizarea în vrac. materialele magnetice, o nouă clasă de materiale magnetice – numite magneți bidimensionali van der Waals – oferă proprietăți superioare care pot îmbunătăți scalabilitatea și eficiența energetică a dispozitivelor magnetice pentru a le face viabile comercial.

Deși beneficiile oferite de trecerea la materiale magnetice 2D este evidentă, inducerea lor practică în computere a fost împiedicată de unele provocări fundamentale. Până de curând, materialele magnetice 2D puteau funcționa doar la temperaturi foarte scăzute, la fel ca supraconductorii. Prin urmare, aducerea temperaturilor lor de funcționare peste temperatura camerei a rămas un obiectiv principal. În plus, pentru utilizarea în computere, este important ca acestea să poată fi controlate electric, fără a fi nevoie de câmpuri magnetice.

Reducerea acestui decalaj fundamental, în care materialele magnetice 2D pot fi comutate electric peste temperatura camerei fără niciun fel de magnetic. câmpuri, ar putea catapulta translatarea magneților 2D în următoarea generație de computere „verzi”.

O echipă de cercetători MIT a atins acum această etapă critică prin proiectarea unui dispozitiv cu „heterostructură stratificată atomic van der Waals”. unde un magnet 2D van der Waals, telurura de fier galiu, este interfațat cu un alt material 2D, ditelurura de wolfram. Într-o lucrare cu acces deschis publicată în Science Advances, echipa arată că magnetul poate fi comutat între stările 0 și 1 prin simpla aplicare a impulsurilor de curent electric pe dispozitivul lor cu două straturi.

„Dispozitivul nostru”. permite comutarea robustă a magnetizării fără a fi nevoie de un câmp magnetic extern, deschizând oportunități fără precedent pentru tehnologie de calcul ultra-scăzută și durabilă din punct de vedere ecologic pentru big data și AI”, spune autorul principal Deblina Sarkar, profesor asistent pentru dezvoltarea carierei AT&T la MIT Media. Laborator și Centrul de Inginerie Neurobiologică și șef al grupului de cercetare Nano-Cybernetic Biotrek. „În plus, structura stratificată atomică a dispozitivului nostru oferă capabilități unice, inclusiv interfață îmbunătățită și posibilități de reglare a tensiunii de poartă, precum și tehnologii spintronice flexibile și transparente.”

Sarkar este alăturat lucrării de primul autor Shivam Kajale, un student absolvent în grupul de cercetare al lui Sarkar la Media Lab; Thanh Nguyen, student absolvent la Departamentul de Știință și Inginerie Nucleară (NSE); Nguyen Tuan Hung, un savant invitat al MIT în NSE și profesor asistent la Universitatea Tohoku din Japonia; și Mingda Li, profesor asociat la NSE.

Ruperea simetriilor oglinzii

Atunci când curentul electric trece prin metale grele precum platina sau tantalul, electronii sunt segregați în materiale pe baza spinului lor. componentă, un fenomen numit efectul de spin Hall, spune Kajale. Modul în care se produce această segregare depinde de material și în special de simetriile acestuia.

„Conversia curentului electric în curenți de spin în metalele grele se află în centrul controlului electric al magneților”, notează Kajale. „Structura microscopică a materialelor utilizate în mod convențional, cum ar fi platina, are un fel de simetrie în oglindă, care restricționează curenții de spin doar la polarizarea spinului în plan.”

Kajale explică că două simetrii în oglindă trebuie rupte pentru a produce o componentă de spin „în afara planului” care poate fi transferată într-un strat magnetic pentru a induce comutarea fără câmp. „Curentul electric poate „rupe” simetria oglinzii de-a lungul unui plan în platină, dar structura sa cristalină împiedică ruperea simetriei oglinzii într-un al doilea plan.”

În experimentele lor anterioare, cercetătorii au folosit un mic câmp magnetic pentru a sparge al doilea plan oglindă. Pentru a scăpa de necesitatea unui ghiont magnetic, Kajale și Sarkar și colegii au căutat în schimb un material cu o structură care ar putea sparge al doilea plan al oglinzii fără ajutor din exterior. Acest lucru i-a condus la un alt material 2D, ditelurura de wolfram.

Ditelurura de wolfram pe care au folosit-o cercetătorii are o structură cristalină ortorrombica. Materialul în sine are un plan oglindă spart. Astfel, prin aplicarea curentului de-a lungul axei sale de simetrie scăzută (paralel cu planul oglinzii spart), curentul de spin rezultat are o componentă de spin în afara planului care poate induce direct comutarea magnetului ultra-subțire interfațat cu ditelurura de tungsten.

„Deoarece este, de asemenea, un material van der Waals 2D, se poate asigura, de asemenea, că atunci când stivuim cele două materiale împreună, obținem interfețe impecabile și un flux bun de rotații de electroni între materiale”, spune Kajale.

Memoria computerului și procesoarele construite din materiale magnetice folosesc mai puțină energie decât dispozitivele tradiționale pe bază de siliciu. Iar magneții van der Waals pot oferi o eficiență energetică mai mare și o scalabilitate mai bună în comparație cu materialul magnetic în vrac, notează cercetătorii.

Densitatea de curent electric utilizată pentru comutarea magnetului se traduce prin cât de multă energie este disipată în timpul comutării. O densitate mai mică înseamnă un material mult mai eficient din punct de vedere energetic.

„Noul design are una dintre cele mai scăzute densități de curent din materialele magnetice van der Waals”, spune Kajale. „Acest nou design are un ordin de mărime mai mic în ceea ce privește curentul de comutare necesar în materialele în vrac. Acest lucru se traduce printr-o îmbunătățire a eficienței energetice cu două ordine de mărime.”

Echipa de cercetare se uită acum la materiale similare van der Waals cu simetrie scăzută pentru a vedea dacă pot reduce și mai mult densitatea curentului. De asemenea, speră să colaboreze cu alți cercetători pentru a găsi modalități de fabricare a dispozitivelor de comutare magnetică 2D la scară comercială.

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea, inovarea și predarea MIT.

(Fluierul)

Inapoi