Fremdrift af atomisk lagdelte magneter mod grønne computere
På verdensplan blomstrer beregningerne med en hidtil uset hastighed, drevet af fordelene ved kunstig intelligens. Med dette er den svimlende energiefterspørgsel fra verdens computerinfrastruktur blevet en stor bekymring, og udviklingen af computerenheder, der er langt mere energieffektive, er en førende udfordring for det videnskabelige samfund.
Brug af magnetiske materialer til at bygge computerenheder som hukommelser og processorer har vist sig som en lovende vej til at skabe "beyond-CMOS"-computere, som ville bruge langt mindre energi sammenlignet med traditionelle computere. Magnetiseringsskift i magneter kan bruges til beregning på samme måde, som en transistor skifter fra åben eller lukket til at repræsentere 0'erne og 1'erne for binær kode.
Mens meget af forskningen i denne retning har fokuseret på at bruge bulkmagnetiske materialer, giver en ny klasse af magnetiske materialer - kaldet todimensionelle van der Waals-magneter - overlegne egenskaber, der kan forbedre skalerbarheden og energieffektiviteten af magnetiske enheder for at gøre dem kommercielt levedygtig.
Selvom fordelene ved at skifte til 2D-magnetiske materialer er indlysende, er deres praktiske induktion i computere blevet hindret af nogle grundlæggende udfordringer. Indtil for nylig kunne 2D magnetiske materialer kun fungere ved meget lave temperaturer, ligesom superledere. Så at bringe deres driftstemperaturer over stuetemperatur er forblevet et primært mål. Til brug i computere er det desuden vigtigt, at de kan styres elektrisk uden behov for magnetiske felter.
At bygge bro over dette fundamentale hul, hvor 2D-magnetiske materialer kan omkobles elektrisk over stuetemperatur uden magnetiske felter, kan potentielt katapultere oversættelsen af 2D-magneter til den næste generation af "grønne" computere.
Et hold af MIT-forskere har nu opnået denne kritiske milepæl ved at designe en "van der Waals atomisk lagdelt heterostruktur"-enhed, hvor en 2D van der Waals-magnet, jerngalliumtellurid, er forbundet med et andet 2D-materiale, wolframditellurid. I et oplæg med åben adgang udgivet i Science Advances , viser holdet, at magneten kan skiftes mellem 0 og 1 tilstande blot ved at påføre impulser af elektrisk strøm hen over deres to-lags enhed.
"Vores enhed muliggør robust magnetiseringsskift uden behov for et eksternt magnetfelt, hvilket åbner op for hidtil usete muligheder for ultra-lav strøm og miljømæssigt bæredygtig computerteknologi til big data og AI," siger hovedforfatter Deblina Sarkar, AT&T Career Development Assistant Professor ved MIT Media Lab og Center for Neurobiological Engineering og leder af forskningsgruppen Nano-Cybernetic Biotrek. "Ydermere giver den atomiske lagdelte struktur af vores enhed unikke egenskaber, herunder forbedret grænseflade og muligheder for gatespændingsjustering samt fleksible og gennemsigtige spintroniske teknologier."
Sarkar får følgeskab på papiret af førsteforfatter Shivam Kajale, en kandidatstuderende i Sarkars forskningsgruppe på Media Lab; Thanh Nguyen, en kandidatstuderende i Institut for Nuklear Science and Engineering (NSE); Nguyen Tuan Hung, en MIT-gæsteforsker i NSE og en assisterende professor ved Tohoku University i Japan; og Mingda Li, lektor i NSE.
At bryde spejlsymmetrierne
Når elektrisk strøm flyder gennem tungmetaller som platin eller tantal, adskilles elektronerne i materialerne baseret på deres spin-komponent, et fænomen kaldet spin Hall-effekten, siger Kajale. Måden denne adskillelse sker på afhænger af materialet og især dets symmetrier.
"Omdannelsen af elektrisk strøm til spinstrømme i tungmetaller ligger i hjertet af at styre magneter elektrisk," bemærker Kajale. "Den mikroskopiske struktur af konventionelt anvendte materialer, som platin, har en slags spejlsymmetri, som begrænser spin-strømmene kun til spinpolarisering i planet."
Kajale forklarer, at to spejlsymmetrier skal brydes for at producere en "uden for planet" spin-komponent, der kan overføres til et magnetisk lag for at inducere feltfri omskiftning. "Elektrisk strøm kan 'bryde' spejlsymmetrien langs ét plan i platin, men dens krystalstruktur forhindrer spejlsymmetrien i at blive brudt i et andet plan."
I deres tidligere eksperimenter brugte forskerne et lille magnetfelt til at bryde det andet spejlplan. For at slippe af med behovet for et magnetisk skub ledte Kajale og Sarkar og kolleger i stedet efter et materiale med en struktur, der kunne bryde det andet spejlplan uden hjælp udefra. Dette førte dem til et andet 2D-materiale, wolfram ditelluride.
Wolfram-ditelluridet, som forskerne brugte, har en ortorhombisk krystalstruktur. Selve materialet har ét knækket spejlplan. Ved at påføre strøm langs dens lavsymmetriakse (parallelt med det brudte spejlplan) har den resulterende spinstrøm en ud-af-planet spin-komponent, der direkte kan inducere omskiftning i den ultratynde magnet, der er forbundet med wolfram-ditelluridet.
"Fordi det også er et 2D van der Waals-materiale, kan det også sikre, at når vi stabler de to materialer sammen, får vi uberørte grænseflader og et godt flow af elektronspin mellem materialerne," siger Kajale.
Bliv mere energieffektiv
Computerhukommelse og processorer bygget af magnetiske materialer bruger mindre energi end traditionelle siliciumbaserede enheder. Og van der Waals-magneterne kan tilbyde højere energieffektivitet og bedre skalerbarhed sammenlignet med bulkmagnetisk materiale, bemærker forskerne.
Den elektriske strømtæthed, der bruges til at skifte magneten, oversættes til, hvor meget energi der afgives under omskiftning. En lavere densitet betyder et meget mere energieffektivt materiale.
"Det nye design har en af de laveste strømtætheder i van der Waals magnetiske materialer," siger Kajale. "Dette nye design har en størrelsesorden lavere i forhold til den skiftestrøm, der kræves i bulkmaterialer. Dette oversættes til noget i retning af to størrelsesordener forbedringer i energieffektiviteten."
Forskerholdet kigger nu på lignende lavsymmetriske van der Waals-materialer for at se, om de kan reducere strømtætheden yderligere. De håber også at samarbejde med andre forskere for at finde måder at fremstille 2D magnetiske switch-enheder i kommerciel skala.
Flere oplysninger: Shivam N. Kajale et al., Feltfri deterministisk omskiftning af alle-van der Waals spin-orbit drejningsmomentsystem over stuetemperatur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8669
Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt
Leveret af Massachusetts Institute of Technology
Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.
Varme artikler
-
Fra sommerfuglevinger til pengesedler - hvordan naturens farver kunne reducere banksvindelDe lyse grønne vinger P. blumei sommerfugl skyldes blanding af de forskellige lysfarver, der reflekteres fra forskellige områder af skalaerne, der findes på vingerne af disse sommerfugle. Kredit:Mat -
Faktorer i fremstillingen af heterojunctions af 2-D materialer gennem CVDFordelingen af elementer af forskellige 2-D materialer. Kredit:©Science China Press 2-D materialer har specielle gitterstrukturer. Atomer i samme lag er normalt bundet af en kovalent binding, me -
Forskere syntetiserer nanopartikel-antioxidanter til behandling af slagtilfælde og rygmarvsskaderEt internationalt videnskabshold har udviklet et innovativt terapeutisk kompleks baseret på flerlags polymer nanostrukturer af superoxiddismutase (SOD). Det nye stof kan bruges til effektivt at rehabi -
Ingeniør afslører nyt spin på fremtiden for transistorer med nyt designSpin logikport i helt carbon. Kredit: Naturkommunikation (2017). DOI:10.1038/ncomms15635 En ingeniør fra Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science ved University of Texas i Dallas h
- Forskere fjerner skadelige hormoner fra spildevand i Las Vegas ved hjælp af grønne alger
- Indien lider under det varmeste årti nogensinde
- Vores bymiljø afspejler ikke kun fattigdom, det forstærker det
- Peers, der booster marginaliserede stemmer, hjælper andre, og dem selv, viser undersøgelse
- Sådan fordeles en celle i Two
- Er fødevarebaseret plast en god idé?