Nye designprincipper for spin-baserede kvantematerialer

Efterhånden som vores liv bliver mere og mere sammenflettet med teknologi – uanset om det understøtter kommunikation, mens vi arbejder eksternt eller streamer vores yndlingsprogram – så gør vores afhængighed af de data, disse enheder skaber, også. Datacentre, der understøtter disse teknologiske økosystemer, producerer et betydeligt CO2-fodaftryk - og forbruger 200 terawatt-timers energi hvert år, større end Irans årlige energiforbrug. For at afbalancere økologiske bekymringer og alligevel imødekomme den stigende efterspørgsel, fremskridt inden for mikroelektroniske processorer – rygraden i mange Internet of Things (IoT) enheder og datahubs – skal være effektive og miljøvenlige.

Materialeforskere fra Northwestern University har udviklet nye designprincipper, der kan hjælpe med at fremme udviklingen af ​​fremtidige kvantematerialer, der bruges til at fremme (IoT) enheder og andre ressourcekrævende teknologier, samtidig med at de begrænser økologiske skader.

"Nye banebrydende materialer og computerparadigmer er nødvendige for at gøre datacentre mere energibesparende i fremtiden, " sagde James Rondinelli, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og Morris E. Fine professor i materialer og fremstilling ved McCormick School of Engineering, der ledede forskningen.

Undersøgelsen markerer et vigtigt skridt i Rondinellis bestræbelser på at skabe nye materialer, der er ikke-flygtige, energieffektiv, og generere mindre varme – vigtige aspekter af fremtidens ultrahurtige, laveffektelektronik og kvantecomputere, der kan hjælpe med at imødekomme verdens voksende efterspørgsel efter data.

I stedet for at visse klasser af halvledere bruger elektronens ladning i transistorer til at drive databehandling, solid-state spin-baserede materialer udnytter elektronens spin og har potentialet til at understøtte lavenergihukommelsesenheder. I særdeleshed, materialer med en højkvalitets persistent spin tekstur (PST) kan udvise en langvarig persistent spin helix (PSH), som kan bruges til at spore eller styre den spin-baserede information i en transistor.

Selvom mange spin-baserede materialer allerede koder information ved hjælp af spins, at informationen kan blive ødelagt, når spins forplanter sig i den aktive del af transistoren. Forskernes roman PST beskytter denne spin-information i helixform, gør det til en potentiel platform, hvor ultralav energi og ultrahurtige spin-baserede logik- og hukommelsesenheder fungerer.

Forskerholdet brugte kvantemekaniske modeller og beregningsmetoder til at udvikle en ramme til at identificere og vurdere spin-teksturerne i en gruppe af ikke-centrosymmetriske krystallinske materialer. Evnen til at kontrollere og optimere spin-levetiderne og transportegenskaberne i disse materialer er afgørende for at realisere fremtiden for kvantemikroelektroniske enheder, der fungerer med lavt energiforbrug.

"Den begrænsende egenskab ved spin-baseret databehandling er vanskeligheden ved at opnå både langlivede og fuldt kontrollerbare spins fra konventionelle halvleder- og magnetiske materialer, " sagde Rondinelli. "Vores undersøgelse vil hjælpe fremtidige teoretiske og eksperimentelle bestræbelser rettet mod at kontrollere spins i ellers ikke-magnetiske materialer for at imødekomme fremtidige skaleringer og økonomiske krav."

Rondinellis rammeværk brugte mikroskopiske effektive modeller og gruppeteori til at identificere tre materialedesignkriterier, der ville producere nyttige spin-teksturer:bærertæthed, antallet af elektroner, der udbreder sig gennem et effektivt magnetfelt, Rashba anisotropi, forholdet mellem materialernes iboende spin-orbit-koblingsparametre, og momentum rumbesættelse, PST-regionen, der er aktiv i den elektroniske båndstruktur. Disse funktioner blev derefter vurderet ved hjælp af kvantemekaniske simuleringer for at opdage højtydende PSH'er i en række oxidbaserede materialer.

Forskerne brugte disse principper og numeriske løsninger til en række differentielle spin-diffusionsligninger til at vurdere spin-teksturen af ​​hvert materiale og forudsige spin-levetiderne for helixen i den stærke spin-orbit-koblingsgrænse. De fandt også ud af, at de kunne justere og forbedre PST-ydelsen ved hjælp af atomare forvrængninger på picoskalaen. Gruppen bestemte et optimalt PST-materiale, Sr3Hf2O7, som viste en væsentlig længere spin-levetid for helixen end i noget tidligere rapporteret materiale.

"Vores tilgang giver en unik kemi-agnostisk strategi til at opdage, identificere, og vurdere symmetribeskyttede vedvarende spin-teksturer i kvantematerialer ved hjælp af iboende og ydre kriterier, " sagde Rondinelli. "Vi foreslog en måde at udvide antallet af rumgrupper, der er vært for en PST, som kan tjene som et reservoir, hvorfra fremtidige PST-materialer kan designes, og fandt endnu en anvendelse for ferroelektriske oxider - forbindelser med en spontan elektrisk polarisering. Vores arbejde vil også hjælpe med at guide eksperimentelle bestræbelser rettet mod at implementere materialerne i rigtige enhedsstrukturer."

Et papir, der beskriver arbejdet, med titlen "Opdagelsesprincipper og materialer til symmetribeskyttede vedvarende spin-teksturer med lang spin-levetid, " blev offentliggjort online den 18. september i tidsskriftet Stof .