Innovativ tilgang til styring af magnetisme åbner ruten til mikrochips med meget lav effekt

En ny tilgang til styring af magnetisme i en mikrochip kan åbne dørene for hukommelse, computing, og sanseapparater, der forbruger drastisk mindre strøm end eksisterende versioner. Fremgangsmåden kunne også overvinde nogle af de iboende fysiske begrænsninger, der har bremset udviklingen på dette område indtil nu.

Forskere ved MIT og ved Brookhaven National Laboratory har demonstreret, at de kan kontrollere de magnetiske egenskaber af et tyndfilmsmateriale blot ved at anvende en lille spænding. Ændringer i magnetisk orientering foretaget på denne måde forbliver i deres nye tilstand uden behov for nogen løbende strøm, i modsætning til nutidens standardhukommelseschips, teamet har fundet.

Det nye fund bliver rapporteret i dag i journalen Naturmaterialer , i et papir af Geoffrey Beach, en professor i materialevidenskab og teknik og meddirektør for MIT Materials Research Laboratory; kandidatstuderende Aik Jun Tan; og otte andre på MIT og Brookhaven.

Spin læger

Når siliciummikrochips trækker tættere på de grundlæggende fysiske grænser, der kan begrænse deres evne til at fortsætte med at øge deres kapacitet og samtidig reducere deres strømforbrug, forskere har undersøgt en række nye teknologier, der kan komme uden om disse grænser. Et af de lovende alternativer er en tilgang kaldet spintronics, som gør brug af en egenskab af elektroner kaldet spin, i stedet for deres elektriske ladning.

Fordi spintronic -enheder kan bevare deres magnetiske egenskaber uden behov for konstant strøm, hvilke siliciumhukommelseschips kræver, de har brug for langt mindre strøm for at fungere. De genererer også langt mindre varme - en anden stor begrænsende faktor for nutidens enheder.

Men spintronic -teknologien lider under sine egne begrænsninger. En af de største manglende ingredienser har været en måde til nemt og hurtigt at kontrollere de magnetiske egenskaber af et materiale elektrisk, ved at anvende en spænding. Mange forskningsgrupper rundt om i verden har forfulgt denne udfordring.

Tidligere forsøg har påberåbt sig elektronakkumulering ved grænsefladen mellem en metallisk magnet og en isolator, ved hjælp af en enhedsstruktur, der ligner en kondensator. Den elektriske ladning kan ændre materialets magnetiske egenskaber, men kun med et meget lille beløb, gør det upraktisk til brug i rigtige enheder. Der har også været forsøg på at bruge ioner i stedet for elektroner til at ændre magnetiske egenskaber. For eksempel, iltioner er blevet brugt til at oxidere et tyndt lag magnetisk materiale, forårsager ekstremt store ændringer i magnetiske egenskaber. Imidlertid, indsættelse og fjernelse af iltioner får materialet til at svulme op og krympe, forårsager mekanisk skade, der begrænser processen til kun et par gentagelser - hvilket gør den i det væsentlige ubrugelig for beregningsudstyr.

Det nye fund viser en vej uden om det, ved at bruge hydrogenioner i stedet for de meget større iltioner, der blev brugt i tidligere forsøg. Da hydrogenionerne meget let kan lynes ind og ud, det nye system er meget hurtigere og giver andre betydelige fordele, siger forskerne.

Fordi hydrogenionerne er så meget mindre, de kan komme ind og ud af den krystallinske struktur af den spintroniske enhed, ændrer sin magnetiske retning hver gang, uden at beskadige materialet. Faktisk, teamet har nu demonstreret, at processen ikke giver nogen nedbrydning af materialet efter mere end 2, 000 cykler. Og, i modsætning til iltioner, brint kan let passere gennem metallag, som gør det muligt for teamet at kontrollere egenskaber af lag dybt inde i en enhed, der ikke kunne styres på anden måde.

"Når du pumper brint mod magneten, magnetiseringen roterer, "Tan siger." Du kan faktisk skifte magnetiseringsretningen med 90 grader ved at anvende en spænding - og den er fuldstændig reversibel. "Da orienteringen af ​​magnetens poler er det, der bruges til at gemme oplysninger, dette betyder, at det er let at skrive og slette data "bits" i spintronic -enheder ved hjælp af denne effekt.

Strand, hvis laboratorium opdagede den originale proces til styring af magnetisme gennem oxygenioner for flere år siden, siger, at det første fund frigjorde udbredt forskning om et nyt område kaldet "magnetisk ionik, "og nu har dette nyeste fund" tændt for hele dette felt. "

I det væsentlige, Beach forklarer, han og hans team forsøger at lave en magnetisk analog af en transistor, "som kan tændes og slukkes gentagne gange uden at forringe dets fysiske egenskaber.

Tilsæt bare vand

Opdagelsen opstod, delvis, gennem serendipitet. Mens jeg eksperimenterede med lagdelte magnetiske materialer på jagt efter måder at ændre deres magnetiske adfærd, Tan fandt ud af, at resultaterne af hans eksperimenter varierede meget fra dag til dag af årsager, der ikke var tydelige. Til sidst, ved at undersøge alle forhold under de forskellige tests, han indså, at den vigtigste forskel var luftfugtigheden i luften:Eksperimentet fungerede bedre på fugtige dage sammenlignet med tørre. Grunden, til sidst indså han, var, at vandmolekyler fra luften blev delt op i ilt og brint på materialets ladede overflade, og mens ilten slap ud i luften, brintet blev ioniseret og trængte ind i den magnetiske enhed - og ændrede dets magnetisme.

Enheden, teamet har produceret, består af en sandwich med flere tynde lag, herunder et lag kobolt, hvor de magnetiske ændringer finder sted, klemt mellem lag af et metal, såsom palladium eller platin, og med et overlæg af gadoliniumoxid, og derefter et guldlag for at forbinde den drivende elektriske spænding.

Magnetismen bliver skiftet med en kort spændingstilførsel og bliver derefter siddende. At vende det kræver slet ingen strøm, bare kortslutter enheden til at forbinde dens to sider elektrisk, der henviser til, at en konventionel hukommelseschip kræver konstant strøm for at bevare sin tilstand. "Da du bare anvender en puls, strømforbruget kan gå meget ned, "Siger stranden.

De nye enheder, med deres lave strømforbrug og høje koblingshastighed, i sidste ende kunne være særligt nyttig til enheder som mobil computing, Strand siger, men arbejdet er stadig på et tidligt stadium og vil kræve yderligere udvikling.

"Jeg kan se laboratoriebaserede prototyper inden for få år eller mindre, "siger han. At lave en fuld arbejdshukommelsescelle er" ret kompleks "og kan tage længere tid, han siger.