Et nyt materiale til energieffektiv datalagring når computerens driftstemperatur

Multiferroics betragtes som mirakuløse materialer til fremtidig datalagring - så længe deres særlige egenskaber kan bevares ved computerens driftstemperaturer. Denne opgave er nu udført af forskere ved Paul Scherrer Institute PSI, med kolleger fra Institut Laue-Langevin ILL i Grenoble. Med dette, de har taget disse materialer et skridt tættere på praktiske anvendelser. Brugen af ​​multiferroics lover godt for mere energieffektive computere, fordi et elektrisk felt ville være tilstrækkeligt til magnetisk datalagring. For at producere dette, der kræves meget mindre strøm og køling end ved konventionel magnetisk opbevaring. Multiferroics kombinerer magnetiske og elektriske egenskaber til et materiale, der er ekstremt sjældent. De fleste sådanne materialer udviser kun disse to egenskaber ved temperaturer langt under frysepunktet. For at holde de magnetiske egenskaber stabile selv ved hundrede grader, forskerne har brugt et trick. De brugte atomer mindre end dem, der blev anvendt i tidligere undersøgelser, gør materialet mere kompakt. Dette var nok til at gøre strukturen modstandsdygtig over for varme og bevare dets afgørende magnetiske egenskaber. Forskerne offentliggjorde deres resultater i dag i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Computere kører ofte kontinuerligt, forbruger mange kilowattimer el om året. De fleste af dem bruges til datalagring. Dataene skrives på harddiske som magnetiske bits i 0 eller 1 tilstand, en proces, der kræver en kontinuerlig vending af polaritet fra plus til minus og omvendt. Denne magnetiske polomvendelse forbruger meget energi, og fører til alvorlig varmeafgivelse. Derfor skal computere afkøles intensivt, mens de er i drift. Dette kræver meget strøm, høje omkostninger og er ikke miljøvenlig. Forskere har i lang tid ledt efter et materiale, der eliminerer denne ulempe ved konventionel magnetisk datalagring.

I nogle år, de såkaldte magneto-elektriske multiferroer har tiltrukket forskernes interesse som et muligt alternativ. Med disse materialer, den nødvendige magnetiske funktionalitet kan opnås ved at anvende en elektrisk i stedet for et magnetfelt, fordi disse to fysiske egenskaber er koblet sammen i materialet. Denne tilstand forekommer normalt ved meget lave temperaturer, typisk under minus 173 grader Celsius, og går tabt igen ved daglige temperaturer.

To år siden, det lykkedes en arbejdsgruppe på PSI at flytte temperaturgrænsen op til 37 grader Celsius. Dette var et stort skridt fremad, men var stadig ikke nok til at tænke på at bruge det i bærbare computere og andre stærkt opvarmede datalagringssystemer. Nu, PSI-forskere Marisa Medarde og Tian Shang er lykkedes med at stabilisere en magneto-elektrisk, multiferroisk materiale, der bevarer de nødvendige magnetiske egenskaber, selv ved 100 grader Celsius. "Denne temperatur er mere end 60 grader Celsius højere end tidligere, "Medarde siger begejstret." Selvom der stadig er brug for meget yderligere forskning, vi er nu lidt tættere på en mulig brug af disse materialer i computere. "

To i ét

Den relativt nye klasse af magneto-elektriske multiferroics omfatter forskellige blandinger af kemiske elementer. Disse har en ting tilfælles:de indeholder samtidigt små magneter og en kombination af positive og negative elektriske ladninger, de såkaldte elektriske dipoler. Elektriske dipoler kan normalt påvirkes ved at anvende et elektrisk felt og små magneter ved at anvende et magnetfelt. For et multiferroisk materiale, et elektrisk felt er tilstrækkeligt for begge. I praksis, elektriske felter er meget lettere og billigere at producere. De bruger meget mindre strøm. Det er det, der gør magneto-elektriske multiferroer så interessante fra et økonomisk perspektiv. Men hvordan kan man opnå det umulige?

I sit laboratorium på PSI, fysikeren Shang viser forskellige gråtoner, hvide og gule krystalpulvere, som han varmer op i en laboratorieovn for at forberede multiferroiske materialer til sine eksperimenter:"Her, vi bruger barium, kobber, jern og sjældne jordarter, og vi opvarmer dem til over 1, 100 grader Celsius i to dage. Derefter afkøler vi langsomt pulvererne til stuetemperatur, pres dem i piller, og varm dem derefter op igen i 50 timer. De slukkes derefter pludselig i flydende nitrogen. "Det kedelige grå materiale i pelleten, der er resultatet af denne procedure, er en såkaldt lagdelt kobber-jern-perovskit, en krystal. Det er lille nok til at passe på en fingerspids og virker ved første øjekast ikke særlig spektakulær.

Frustrerede magneter

Materialets særlige træk findes på atomernes usynlige niveau, mere præcist:i sin krystalgitterstruktur. Dette kan forestilles som bestående af flere stablede gitterbure med barium- og yttriumatomer i deres hjørner. Inde i burene, der findes små magneter af kobber og jern. Elektromagnetiske kræfter virker mellem de enkelte magneter, bestemme deres relative orientering. Normalt, to magneter er justeret parallelt eller modsat hinanden. Men det kan også ske, at de magnetiske kræfter virker fra meget forskellige retninger. Så pendler magneterne som små kompassnåle. Den tekniske betegnelse for et sådant materiale er en frustreret magnet. For at undgå denne ustabile tilstand, samtidig med at magnetismen bevares, kobber-jernmagneterne arrangeres i en spiral. Forstørret, dette ligner mange overlejrede kompasnåle, hver efterfølgende snoet med en lille vinkel. "Dette spiralarrangement kan forårsage elektrisk polarisering og dermed være ansvarlig for ferroelektriske egenskaber i materialet, ”forklarer Medarde.

Dermed, når magneterne er anbragt spiralt, de fremkalder elektriske dipoler i gitteret, og materialet får både koblede egenskaber - elektrisk og magnetisk. Ved normale temperaturer, kompassnålene mister deres spiralformede arrangement, hvilket også får de koblede multiferroiske egenskaber til at forsvinde. Det faktum, at de magnetiske spiraler i materialet kan "fryses" ved meget hurtig afkøling, havde allerede vist Medarde og hendes gruppe i et tidligere værk. I deres seneste undersøgelse, Medarde og Shang har nu finjusteret det multiferroiske krystalgitter. Med mikroskopisk små justeringer, det er lykkedes dem at hæve dens temperaturstabilitet op til 100 grader Celsius.

Nærhed skaber styrke

Ud over at afkøle materialet ekstremt hurtigt, Shang brugte et trick, som kemikere har kendt til i lang tid:han reducerede simpelthen afstanden mellem nogle atomer i krystalgitteret, bringe dem tættere på hinanden. Som følge af det nye, mere kompakt design, de elektromagnetiske kræfter i krystallen ændrede sig på en sådan måde, at spiralstrukturen af ​​kobber-jernmagneterne forblev stabil, selv ved højere temperaturer.

Shang opnåede dette ved at erstatte nogle bariumatomer i krystalgitteret med de mindre atomer af elementet strontium. Han tilføjede strontium under produktionen af ​​materialet i reaktionsovnen, inden han endelig afkølede materialet igen på den etablerede måde.

Næste, fysikeren ville vide, om kombinationen af ​​de to metoder virkelig havde haft den ønskede effekt. Shang studerede det grå-sorte materiale ved hjælp af forskellige målemetoder, herunder undersøgelser ved Swiss Spallation Neutron Source SINQ, en stor forskningsfacilitet på PSI. Ved hjælp af specielle instrumenter, det lykkedes ham at identificere fingeraftrykket af de magnetiske spiraler. Af særlig betydning for forskeren var et instrument med det komplicerede navn på et neutrondiffraktometer. Med denne enhed, som Shang brugte på både SINQ og Institut Laue-Langevin ILL i Grenoble, han fandt ud af, hvor atomerne er placeret i krystalgitteret, og hvor langt fra hinanden de er fra hinanden.

"Virkningen af ​​hurtig materialekøling plus virkningen af ​​at reducere afstanden mellem atomerne summeres sammen. Stabilitetsområdet for den magnetiske spiral er nu meget højere end før, "sagde Shang. Han har således nået det temperaturområde, der er nødvendigt til brug i computere. Dog er ifølge fysikerne, det vil tage et stykke tid, før materialet rent faktisk bliver brugt til lagring af data i fremtiden. For det, det skal også fungere i tyndfilmlag, hvor der bruges meget mindre materiale. Medarde og Shang arbejder allerede på dette. Og de forsøger at presse perovskitkrystallen endnu mere ved at inkorporere atomer, der er endnu mindre end strontium. Hvis begge strategier lykkes, der er god chance for, at multiferroisk materiale en dag vil være grundlaget for revolutionerende datalagringsteknologi.