Quantum materiale-baserede spintroniske enheder fungerer ved ultra-lav effekt

Da kunstig intelligens-teknologier såsom Chat-GPT anvendes i forskellige industrier, bliver rollen som højtydende halvlederenheder til behandling af store mængder information stadig vigtigere. Blandt dem tiltrækker spin-hukommelse opmærksomhed som en næste generations elektronikteknologi, fordi den er velegnet til at behandle store mængder information med lavere effekt end siliciumhalvledere, der i øjeblikket masseproduceres.

Anvendelse af nyligt opdagede kvantematerialer i spin-hukommelse forventes at forbedre ydeevnen dramatisk ved at forbedre signalforholdet og reducere effekt, men for at opnå dette er det nødvendigt at udvikle teknologier til at kontrollere egenskaberne af kvantematerialer gennem elektriske metoder såsom strøm og spænding.

Dr. Jun Woo Choi fra Center for Spintroncs Research ved Korea Institute of Science and Technology (KIST) og professor Se-Young Park fra Institut for Fysik ved Soongsil University har annonceret resultaterne af en samarbejdsundersøgelse, der viser, at ultra-lav- strømhukommelse kan fremstilles af kvantematerialer. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Ved at påføre en spænding til en kvantemateriale-spintronisk enhed, der består af todimensionel materiale-heterostruktur, er det muligt at læse og skrive information ved ultra-lav effekt ved effektivt at kontrollere elektronernes spin-information.

Todimensionelle materialer, som er repræsentative kvantematerialer, kan let adskilles i plane lag af enkelte atomer, i modsætning til almindelige materialer, der har en tredimensionel struktur og dermed udviser særlige kvantemekaniske egenskaber.

I denne undersøgelse udviklede forskerne en todimensionel heterostrukturenhed, der for første gang kombinerer kvantematerialer med to forskellige egenskaber. Ved at påføre spænding så lavt som 5 V til en enhed bestående af et todimensionalt ferromagnetisk materiale (Fe_3-x GeTe₂ ) og et todimensionelt ferroelektrisk materiale (In₂ Se₃ ) stablet oven på hinanden, kan det magnetiske felt, der kræves for at ændre ferromagnetens spinretning, dvs. koercitiviteten, reduceres med mere end 70 %.

Forskerne fandt også ud af, at de strukturelle ændringer i det todimensionelle ferroelektriske materiale, der opstår, når en spænding påføres, fører til ændringer i spin-egenskaberne af nabo-todimensionelle ferromagneter.

Gitteret af den todimensionelle ferroelektriske ekspansion med spænding, ændrer den magnetiske anisotropi af den tilstødende ferromagnet og reducerer i høj grad den koercitivitet, der kræves for at omorientere spindet. Dette betyder, at ved at påføre en meget lille spænding til en kvantemateriale-heterostrukturenhed, er det muligt at styre spin-informationen af ​​elektroner selv med et cirka 70 % reduceret magnetfelt, hvilket er en nøgleteknologi til udvikling af ultra-lav-effekt spin-hukommelse baseret på kvantematerialer.

"Ved at sikre ultra-lav-effekt næste generations hukommelseskerneelementteknologi ved hjælp af kvantematerialer, vil vi være i stand til at bevare vores teknologiske forspring og konkurrenceevne i den nyligt vaklende halvlederindustri," sagde Dr. Jun Woo Choi fra KIST.

Flere oplysninger: Jaeun Eom et al, Spændingskontrol af magnetisme i Fe_3-x GeTe₂ /In₂ Se₃ van der Waals ferromagnetiske/ferroelektriske heterostrukturer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41382-8

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af National Research Council of Science and Technology