Fra rust til rigdom:Computer bliver grønt - eller er det brunt?

Den nuværende silicium-baserede computerteknologi er energi-ineffektiv. Informations- og kommunikationsteknologi forventes at bruge over 20 % af den globale elproduktion i 2030. Så at finde måder at dekarbonisere teknologi på er et oplagt mål for energibesparelser. Professor Paolo Radaelli fra Oxfords Institut for Fysik, arbejder med Diamond Light Source, Storbritanniens nationale synkrotron, har været førende forskning i mere effektive alternativer til silicium. Hans gruppes overraskende resultater er offentliggjort i Natur i en artikel med titlen "Antiferromagnetiske halvskyrmioner og bimeroner ved stuetemperatur." Nogle af de antiferromagnetiske teksturer, de har fundet, kunne dukke op som primære kandidater til lavenergi antiferromagnetisk spintronik ved stuetemperatur.

Forskere har i lang tid arbejdet på alternative teknologier til silicium. Oxider af almindelige metaller såsom jern og kobber er naturlige mål, fordi de allerede er en teknologisk basis, findes i siliciumbaserede computere, hvilket betyder, at der er en høj chance for kompatibilitet mellem de to teknologier. Selvom oxider er gode til at gemme information, de er ikke gode til at flytte information rundt - en nødvendighed for beregning. Imidlertid, en egenskab ved oxider, der er dukket op, er, at mange er magnetiske, hvilket betyder, at det måske er muligt at flytte magnetiske bits rundt, både i oxider og i andre magneter, med meget lidt energi, der kræves.

Professor Radaelli siger, "Den slags bits, vi taler om, skal være meget små - 10 nanometer er det typiske mål - og skal være robuste, selv når de er 'rystet og omrørt'." Dette er meget udfordrende, fordi risikoen for, at de blot spredes væk, er meget stor, når biddet er så lille. En mulig løsning kom fra den mest usandsynlige retning:en mærkelig parallel mellem faststoffysik og kosmologi. Faktisk, inspirationen til dette projekt blev sat i form af en udfordring:Kan vi replikere kosmiske strenge i en magnet?"

Det afgørende for at få svar var teamets brug af Diamonds Nanoscience-strålelinje og PhotoEmission Electron Microscope (PEEM). Den kombinerer høj rumlig opløsning med høj fluxtæthed for at løse nanostrukturer på nanometerlængdeskalaer. Gennem PEEM, Nanoscience-strålelinjen kan opløse nanopartikler med diametre på mindre end 20 nm ved hjælp af polariserede bløde røntgenstråler.

Kosmiske strenge formodes at være filamenter i rummet, meget tyndere end et atom, men potentielt lige så lang som afstanden mellem stjerner. Visse kosmologiske teorier forudsiger, at de kunne have dannet sig i øjeblikket efter Big Bang, da universet hurtigt afkøledes. Selvom forskere stadig diskuterer, om de eksisterer, en teori antyder, at en gang dannet, kosmiske strenge ville være stabile og ville ikke "fordampe, " så astronomer kan muligvis opdage dem i fremtiden. Relevansen af ​​kosmiske strenge og computere er, at den matematiske beskrivelse af kosmiske strenge er ret enkel. Den samme slags matematiske forhold, der favoriserer dannelsen af ​​strenge, kan findes i mange andre fysiske systemer, inklusive magneter.

Professor Radaelli siger, "Det er fysikkens skønhed:Matematiske ligninger, der beskriver 'makrokosmos' på parsec-skalaer, kan også fungere i mikrokosmos på nanometerskalaer. Med udfordringen sat, det eneste, der var tilbage at gøre, var at finde en passende magnet. Endnu engang, kandidaten viste sig at være mest usandsynlig:almindelig rust."

Jernoxid (kemisk formel Fe ₂ O ₃ ) er en hovedbestanddel af rust. Hvert jernatom fungerer som et lille kompas, men denne særlige form for Fe ₂ O ₃ er ikke magnetisk i den almindelige betydning at tiltrække og blive tiltrukket af andre magneter:Det er en antiferromagnet, så halvdelen af ​​Fe-kompasserne peger mod nord og den anden halvdel mod syd.

To år siden, arbejder hos Diamond på prøver produceret ved University of Wisconsin, Madison, Radaellis Oxford-gruppe opdagede den magnetiske ækvivalent af kosmiske strenge i Fe ₂ O ₃ , og afbildede dem ved hjælp af et kraftigt røntgenmikroskop. Disse små genstande, kendt som meroner, er magnetiske hvirvler, hvor kompasnålen roterer (NESW eller NWSE), når man bevæger sig fra et atom til det næste i en nanometerskala-løkke.

"Set i bakspejlet, at finde magnetiske meroner var et stort lykketræf, da vi ved, at de er meget svære at stabilisere under de betingelser, der blev brugt til det første eksperiment. Til avisen offentliggjort i dag, vi udvidede vores samarbejde til National University of Singapore og formåede at finde nøglen til at skabe og ødelægge magnetiske meroner efter behag, udnytter den matematiske ækvivalent til "Big Bang-afkølingen, " tilføjer Radaelli.

Holdet mener, at der er gode muligheder for at bruge 'rust' til at skabe supereffektive computere. Dette skyldes, at selvom det er meget enkelt i arkitekturen, Fe ₂ O ₃ -baseret enhed, hvor meroner og bimeroner blev fundet, indeholder allerede alle ingredienserne til at manipulere disse bittesmå bidder hurtigt og effektivt - ved at flyde en lille elektrisk strøm i en ekstremt tynd metallisk 'overcoat'." ifølge holdet, at kontrollere og observere bevægelsen af ​​meroner og bimeroner i realtid er målet for et fremtidigt røntgenmikroskopi-eksperiment i øjeblikket i planlægningsfasen.

At flytte fra grundlæggende til anvendt forskning betyder, at omkostnings- og kompatibilitetsovervejelser er af afgørende betydning. Mens jernoxid er ekstremt rigeligt og billigt, de fabrikationsteknikker, der anvendes af forskere i Singapore og Madison, er komplekse og kræver kontrol på atomare skala. Imidlertid, forskerne er optimistiske, da de for nylig har demonstreret, at det er muligt at pille et tyndt lag oxid af dets vækstmedium og holde det næsten overalt, mens dens egenskaber stort set ikke påvirkes. De siger, at deres næste skridt vil være design og fremstilling af proof-of-principe-enheder baseret på kosmiske strenge.