Magnetoelektrisk hukommelsescelle øger energieffektiviteten til datalagring

Nutidens computere giver lagring af enorme mængder information med ekstremt store datatætheder, men at skrive og hente denne information bruger meget energi. Mere end 99 procent af den forbrugte strøm til informationslagring og -behandling spildes i form af varme, en stor hovedpine, der stadig ikke er aftaget.

Et team af forskere fra Frankrig og Rusland har nu udviklet en magnetoelectric random access memory (MELRAM) celle, der har potentialet til at øge strømeffektiviteten, og derved mindske varmespild, i størrelsesordener for aflæsningsoperationer ved stuetemperatur. Forskningen kan hjælpe produktionen af ​​enheder såsom instant-on bærbare computere, flashdrev tæt på nul forbrug, og datalagringscentre, der kræver meget mindre aircondition. Forskerholdet rapporterede deres resultater i denne uge Anvendt fysik bogstaver .

Milliarder af transistorer kan nu ætses på enkelte chips i et rum på størrelse med en skilling, men på et tidspunkt, at øge dette tal for endnu bedre ydeevne ved brug af samme plads vil ikke være muligt. Den store tæthed af disse nanoskopiske transistorer udmønter sig i mere uønsket varme sammen med interaktioner på kvanteniveau, som nu skal løses.

I løbet af de sidste mange år, forskning er steget til at udforske elektronernes magnetiske egenskaber i et fænomen kaldet den magnetoelektriske effekt. Denne effekt, ofte af interesse inden for forskningsfeltet kendt som spintronics, udnytter en elektrons spin, i stedet for dens ladning. Spins kan potentielt manipuleres i mindre størrelsesskalaer ved at bruge langt mindre energi.

De fleste bestræbelser har fokuseret på at reducere energien af ​​skriveoperationerne i magnetiske hukommelser, da disse operationer typisk bruger mere energi end læseoperationer. I 2010, det samme franske og russiske hold viste, at en kombination af magnetoelastiske og piezoelektriske materialer i en magnetoelektrisk hukommelsescelle kunne tillade en 100 gange reduktion af den energi, der er nødvendig for skriveprocessen. I forskernes seneste papir, de viser, at det samme magnetoelektriske princip også kan bruges til læseoperationer med ekstra lavt energiforbrug.

"Vi fokuserede på læseoperationer i dette papir, fordi potentialet for, at skriveenergien er meget lav i magnetoelektriske systemer, betyder, at energioutputtet nu vil være højere for læseoperationer, " sagde Nicolas Tiercelin, medforfatter af papiret og en forsker fra Centre national de la recherche scientifique (CNRS), som forsker ved Institut for Elektronik, Mikroelektronik og nanoteknologi i Lille, Frankrig.

Kernen i forskernes MELRAM-hukommelsescelle er baseret på at kombinere to typer materialers egenskaber ved at koble dem mekanisk. Magnetiske legeringer - den ene baseret på en kombination af terbium-kobolt og den anden baseret på jern og kobolt - med tykkelser på nogle få nanometer stables oven på hinanden. Legeringerne danner et magnetoelastisk nanokompositmateriale, hvis magnetiske spins reagerer på mekanisk belastning.

Disse legeringer placeres derefter på et piezoelektrisk substrat, som består af relaxor ferroelektrik, eksotiske materialer, der ændrer deres form eller dimensioner, når de udsættes for et elektrisk felt.

"Sammen, disse materialer udgør multiferroiske heterostrukturer, hvor styringen af ​​de magnetiske egenskaber er muliggjort ved påføring af en elektrisk spænding, " sagde Tiercelin.

"Nanokomposit-flerlaget giver stærk magnetoelektrisk interaktion ved stuetemperatur, sagde Vladimir Preobrazhensky, en anden medforfatter til papiret og forskningsdirektør ved Wave Research Center, Prokhorov General Physics Institute ved Det Russiske Videnskabsakademi i Moskva. "Denne interaktion er den grundlæggende mekanisme til kontrol af magnetiske tilstande af det elektriske felt. Denne egenskab ved den magnetoelektriske hukommelse er oprindelsen til dets ekstra lave strømforbrug."