Forskere opnår gennembrud i siliciumkompatible magnetiske hvirvler

Forskere fra Oxford University's Department of Physics har gjort et gennembrud i at skabe og designe magnetiske hvirvler i membraner, der problemfrit kan integreres med silicium. Disse orkanlignende magnetiske hvirvler, der menes at bevæge sig med utrolige hastigheder på op til kilometer i sekundet, kunne bruges som informationsbærere i en ny generation af grønne og superhurtige computerplatforme.

Studiet, "Spatialt rekonfigurerbare antiferromagnetiske tilstande i topologisk rige fritstående nanomembraner," er blevet offentliggjort i Nature Materials .

Traditionelt kunne disse uhåndgribelige hvirvler kun fremstilles i materialer, der har begrænset kompatibilitet med silicium, hvilket hindrer deres praktiske anvendelse. Denne forhindring blev overvundet ved at udvikle en ny form for magnetiske lag, der kan løsnes fra deres originale krystalværter og overføres til enhver ønsket platform – såsom en siliciumwafer.

Arbejdet blev ledet af Dr. Hariom Jani fra Oxford Universitys Institut for Fysik, der arbejder i professor Paolo Radaellis forskningsgruppe i samarbejde med National University of Singapore og Swiss Light Source.

Dr. Jani sagde, "Silicon-baseret computer er alt for energi-ineffektiv til den næste generation af computerapplikationer såsom fuldskala AI og autonome enheder. At overvinde disse udfordringer vil kræve et nyt computerparadigme, der udnytter fysiske fænomener, der begge er hurtige. og effektiv til at udvide den nuværende teknologi."

"Vi har kigget på at udnytte magnetiske hvirvler i en særlig klasse af materialer kaldet antiferromagneter, som er 100-1.000 gange hurtigere end moderne enheder. Problemet til dato har været, at disse hvirvler kun kan skabes på stive krystalskabeloner, der er inkompatible med nuværende siliciumbaseret teknologi, så vores mål var at finde ud af en måde at oversætte disse eksotiske hvirvler til silicium."

"For at opnå dette, fremstillede vi ultratynde krystallinske membraner af hæmatit (hovedkomponenten i rust og dermed den mest udbredte antiferromagnet), der strækker sig sideværts over makroskopiske dimensioner," forklarer professor Radaelli. "Sådanne membraner er relativt nye i verden af ​​krystallinske kvantematerialer og kombinerer fordelagtige egenskaber ved både bulk 3D-keramik og 2D-materialer, samtidig med at de er lette at overføre."

Hæmatitlaget blev dyrket oven på en krystalskabelon, der var belagt med et specielt 'offerlag' lavet af en cementkomponent. Dette offerlag blev opløst i vand, og adskilte let hæmatitten fra krystalbasen. Til sidst blev den fritstående hæmatitmembran overført til silicium og flere andre ønskværdige platforme.

Gruppen udviklede en ny billedbehandlingsteknik ved hjælp af lineært polariserede røntgenstråler til at visualisere de magnetiske mønstre i nanoskala i disse membraner. Denne metode afslørede, at de fritstående lag er i stand til at være vært for en robust familie af magnetiske hvirvler. Dette kunne potentielt muliggøre ultrahurtig informationsbehandling.

"En af vores mest spændende opdagelser var den ekstreme fleksibilitet af vores hæmatitmembraner," siger Dr. Jani.

"I modsætning til deres stive, keramisk-lignende bulk-modstykker, der er tilbøjelige til at gå i stykker, kan vores fleksible membraner vrides, bøjes eller krølles til forskellige former uden at gå i stykker. Vi udnyttede denne nyfundne fleksibilitet til at designe magnetiske hvirvler i tre dimensioner, noget der tidligere var ikke muligt I fremtiden kan formen på disse membraner justeres for at realisere helt nye hvirvler i 3D-magnetiske kredsløb."

Gruppen arbejder nu på at udvikle prototype-enheder, der vil bruge elektriske strømme til at ophidse den rige dynamik i disse superhurtige hvirvler. Dr. Jani konkluderer:"Til sidst kunne sådanne enheder integreres i nye typer computere, der fungerer mere som den menneskelige hjerne – vi er meget spændte på, hvad der kommer næste gang."

Flere oplysninger: Hariom Jani et al, Rumligt rekonfigurerbare antiferromagnetiske tilstande i topologisk rige fritstående nanomembraner, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01806-2

Leveret af University of Oxford