Et nyt spin på energieffektiv elektronik

Det lovende felt af spintronics søger at manipulere elektronspin for at lave en ny race af små og laveffekt elektroniske enheder. En nylig undersøgelse brugte Argonnes Advanced Photon Source til at bringe den udbredte brug af spintronics tættere på virkeligheden.

Efterhånden som computere og elektroniske enheder bliver mindre og mindre, ingeniører udvikler nye teknologier for at gøre det muligt for enheder at krympe endnu mere og samtidig forbedre ydeevnen. En lovende ny teknologi er spintronics, som har potentiale til at lave mindre og hurtigere enheder, der bevarer deres information, når strømmen er slukket. Denne nye teknologi kan revolutionere designet af elektroniske enheder, men det har stadig en lang vej at gå, før teknologien bliver mainstream.

For at følge med i stigende datagenerering, datalagringskapaciteten er steget, mens elektroniske enheder bliver ved med at blive mindre og mere kraftfulde. Imidlertid, denne stigning i datagenerering og -lagring har ført til en tilhørende stigning i energiforbruget. Datacentre bruger en betydelig mængde elektricitet til deres servere og kølesystemer, og disse centre tegner sig alene for mere end 1 % af det globale energiforbrug. Spintronics har potentialet til at reducere dette energiforbrug og samtidig give ingeniører mulighed for at fortsætte med at designe mindre og hurtigere computere og andre elektroniske enheder.

I stedet for at bruge elektronladning til at lagre information som 1'er og 0'er, spintronics bruger elektronspin til at kode data. Spin er en egenskab af elektroner, ligesom ladning. Elektroner kan have en spin-tilstand, der er enten op eller ned, og i nogle specielle materialer kan denne spin-tilstand bevæge sig hen over materialet, når det udsættes for elektricitet. Muligheden for, at spin-tilstanden kan transporteres, er det, der gør, at spin kan bruges til datalagring. Denne metode til spin-manipulation til datalagring bruger meget mindre energi, fordi en spin-strøm støder på mindre af den modstand, der kan føre til overophedning, og informationen forsvinder ikke med et tab af magt.

Forskere, der bruger Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory, har studeret måder at manipulere elektronspins og udvikle nye materialer til spintronics. For nylig, et forskerhold ledet af Chang-Beom Eom, en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Wisconsin-Madison, offentliggjort en undersøgelse i tidsskriftet Naturkommunikation om et nyt materiale, der har tre gange så stor lagertæthed og bruger meget mindre strøm end andre spintronics-enheder.

Der findes ikke mange af disse typer materialer, især dem, der fungerer ved stuetemperatur som denne. Hvis Eoms materiale kan perfektioneres, det kunne hjælpe med at skabe mere effektive elektroniske enheder med mindre tendens til overophedning. Dette er især vigtigt for at fremme udviklingen af ​​computere med lav effekt og hurtig magnetisk hukommelse.

Den nye struktur, som Eom har designet, er baseret på en usædvanlig klasse af materialer kaldet antiperovskites, som han bruger til at manipulere strømmen af ​​spininformation uden at flytte elektronernes ladninger gennem materialet. For at finde ud af, om det virkede, og for bedre at forstå materialets struktur, Eoms team brugte røntgendiffraktion ved APS for at se, på hvilket tidspunkt strukturen af ​​materialet ændrede sig, indikerer fremkomsten af ​​det nødvendige arrangement af elektroniske spins.

Eom kom til APS på grund af kraften i 6-ID-B beamline såvel som for ekspertisen hos de videnskabsmænd, der arbejder der.

"På en uges tid på APS kan vi udføre en måneds arbejde, " han sagde.

APS's beamline-forskere yder ekspertrådgivning til forskere, der ønsker at bruge anlæggets ressourcer. Inden undersøgelsen, APS-strålelinjeforskerne Phil Ryan og Jong-Woo Kim tilbragte tid med Eom, hjælper ham med at bestemme, hvornår han havde den rigtige struktur, da han dyrkede disse nye materialer i sit laboratorium.

"Hvis de har et videnskabeligt spørgsmål, vi diskuterer det og designer sammen et eksperiment hos APS for at besvare spørgsmålet, " sagde Kim, en fysiker ved APS, der samarbejder med Eoms forskerhold. "Vi forstår vores teknikker og evner meget godt, så vi kan bidrage til designet af eksperimentet, eller endda forme samtalen. "

Til denne undersøgelse, Eom brugte APS til at se på materialets gitterstruktur på atomniveau, når det afkøles til stuetemperatur. Ved hjælp af røntgendiffraktion, de målte gitterparameteren - dybest set afstanden mellem atomer - og udtog adskillelsen af ​​atomerne, efterhånden som materialets temperatur ændrede sig.

"Dette materiale udvikler en magnetisk orden lidt over stuetemperatur, " sagde Ryan, en anden fysiker ved APS, der arbejdede sammen med Eom på dette projekt såvel som mange andre gennem årene. "Når elektronspindene bestiller sig selv, atomerne skubbes lidt væk fra hinanden. Så selvom vi ikke direkte kunne opdage strukturen med røntgenstråler, vi overvågede og målte denne strukturelle ændring med temperaturen ved APS for at bekræfte fremkomsten af ​​denne magnetiske orden."

Dette var en af ​​de tre teknikker, der blev brugt i undersøgelsen til at måle arrangementet af elektroniske spins, og disse data, i forbindelse med andre målinger, hjalp med at størkne og cementere resultaternes validitet.

"Evnen til at manipulere arrangementet af elektroniske spins, såvel som deres bevægelse gennem materiale, har enorme muligheder for mere energieffektive enheder, "Sagde Eom." Dette er det første trin i at demonstrere, hvordan man gør det. "