Forskere udnytter 2D magnetiske materialer til energieffektiv databehandling

Eksperimentelle computerhukommelser og processorer bygget af magnetiske materialer bruger langt mindre energi end traditionelle siliciumbaserede enheder. Todimensionelle magnetiske materialer, der er sammensat af lag, der kun er nogle få atomer tykke, har utrolige egenskaber, der kunne gøre det muligt for magnetisk-baserede enheder at opnå en hidtil uset hastighed, effektivitet og skalerbarhed.

Mens mange forhindringer skal overvindes, indtil disse såkaldte van der Waals magnetiske materialer kan integreres i fungerende computere, tog MIT-forskere et vigtigt skridt i denne retning ved at demonstrere præcis kontrol af en van der Waals-magnet ved stuetemperatur.

Dette er nøglen, da magneter, der er sammensat af atomisk tynde van der Waals-materialer, typisk kun kan kontrolleres ved ekstremt kolde temperaturer, hvilket gør dem vanskelige at installere uden for et laboratorium.

Forskerne brugte impulser af elektrisk strøm til at skifte retningen af ​​enhedens magnetisering ved stuetemperatur. Magnetisk kobling kan bruges i beregninger, på samme måde som en transistor skifter mellem åben og lukket for at repræsentere 0'er og 1'er i binær kode, eller i computerhukommelse, hvor skift muliggør datalagring. Forskningen er publiceret i Nature Communications .

Holdet affyrede udbrud af elektroner mod en magnet lavet af et nyt materiale, der kan opretholde sin magnetisme ved højere temperaturer. Eksperimentet udnyttede en fundamental egenskab ved elektroner kendt som spin, som får elektronerne til at opføre sig som små magneter. Ved at manipulere elektronernes spin, der rammer enheden, kan forskerne ændre dens magnetisering.

"Den heterostrukturenhed, vi har udviklet, kræver en størrelsesorden lavere elektrisk strøm for at skifte van der Waals-magneten sammenlignet med den, der kræves til bulkmagnetiske enheder," siger Deblina Sarkar, AT&T Career Development Assistant Professor i MIT Media Lab and Center for Neurobiological Engineering, leder af Nano-Cybernetic Biotrek Lab og seniorforfatter til et papir om denne teknik. "Vores enhed er også mere energieffektiv end andre van der Waals-magneter, der ikke er i stand til at skifte ved stuetemperatur."

I fremtiden vil en sådan magnet kunne bruges til at bygge hurtigere computere, der forbruger mindre strøm. Det kan også aktivere magnetiske computerhukommelser, der er ikke-flygtige, hvilket betyder, at de ikke lækker information, når de er slukket, eller processorer, der gør komplekse AI-algoritmer mere energieffektive.

"Der er en masse træghed omkring at forsøge at forbedre materialer, der fungerede godt tidligere. Men vi har vist, at hvis du laver radikale ændringer, og starter med at gentænke de materialer, du bruger, kan du potentielt få meget bedre løsninger," siger Shivam Kajale, en kandidatstuderende i Sarkars laboratorium og medforfatter af papiret.

En atommæssigt tynd fordel

Metoder til at fremstille små computerchips i et rent rum fra bulkmaterialer som silicium kan hæmme enheder. For eksempel kan materialelagene være knap 1 nanometer tykke, så små ru pletter på overfladen kan være alvorlige nok til at forringe ydeevnen.

Derimod er van der Waals magnetiske materialer i sig selv lagdelt og struktureret på en sådan måde, at overfladen forbliver perfekt glat, selv når forskere piller lag af for at lave tyndere enheder. Derudover vil atomer i ét lag ikke lække ind i andre lag, hvilket gør det muligt for materialerne at bevare deres unikke egenskaber, når de stables i enheder.

"Med hensyn til skalering og gøre disse magnetiske enheder konkurrencedygtige til kommercielle anvendelser, er van der Waals-materialer vejen at gå," siger Kajale.

Men der er en fangst. Denne nye klasse af magnetiske materialer har typisk kun været drevet ved temperaturer under 60 Kelvin (-351 grader Fahrenheit). For at bygge en magnetisk computerprocessor eller hukommelse skal forskere bruge elektrisk strøm til at betjene magneten ved stuetemperatur.

For at opnå dette fokuserede holdet på et spirende materiale kaldet jern gallium tellurid. Dette atomisk tynde materiale har alle de egenskaber, der er nødvendige for effektiv stuetemperaturmagnetisme og indeholder ikke sjældne jordarters grundstoffer, som er uønskede, fordi udvinding af dem er særligt ødelæggende for miljøet.

Nguyen dyrkede omhyggeligt bulkkrystaller af dette 2D-materiale ved hjælp af en speciel teknik. Derefter fremstillede Kajale en to-lags magnetisk enhed ved hjælp af nanoskala flager af jern gallium tellurid under et seks nanometer lag af platin.

Lille enhed i hånden, de brugte en iboende egenskab af elektroner kendt som spin til at ændre dens magnetisering ved stuetemperatur.

Elektron ping-pong

Mens elektroner teknisk set ikke "snurrer" som en top, har de samme slags vinkelmomentum. Det spin har en retning, enten op eller ned. Forskerne kan udnytte en egenskab kendt som spin-orbit-kobling til at kontrollere spins af elektroner, de affyrer mod magneten.

På samme måde som momentum overføres, når en bold rammer en anden, vil elektroner overføre deres "spin-momentum" til det 2D-magnetiske materiale, når de rammer det. Afhængigt af retningen af ​​deres spins, kan den momentumoverførsel vende magnetiseringen.

På en måde roterer denne overførsel magnetiseringen fra op til ned (eller omvendt), så det kaldes et "drejningsmoment", som ved spin-orbit-drejningsmomentskift. Påføring af en negativ elektrisk puls får magnetiseringen til at gå nedad, mens en positiv puls får den til at gå opad.

Forskerne kan gøre dette skifte ved stuetemperatur af to grunde:jern galliumtellurids særlige egenskaber og det faktum, at deres teknik bruger små mængder elektrisk strøm. Hvis du pumper for meget strøm ind i enheden, vil det få den til at overophede og afmagnetisere.

Holdet stod over for mange udfordringer i løbet af de to år, det tog at nå denne milepæl, siger Kajale. At finde det rigtige magnetiske materiale var kun halvdelen af ​​kampen. Da jern gallium tellurid oxiderer hurtigt, skal fremstillingen udføres inde i et handskerum fyldt med nitrogen.

"Enheden udsættes kun for luft i 10 eller 15 sekunder, men selv efter det er jeg nødt til at gøre et trin, hvor jeg polerer det for at fjerne eventuel oxid," siger han.

Nu hvor de har demonstreret rumtemperaturskift og større energieffektivitet, planlægger forskerne at fortsætte med at skubbe ydeevnen af ​​magnetiske van der Waals-materialer.

"Vores næste milepæl er at opnå skift uden behov for eksterne magnetiske felter. Vores mål er at forbedre vores teknologi og opskalere for at bringe van der Waals-magnetens alsidighed til kommercielle applikationer," siger Sarkar.

Flere oplysninger: Shivam N. Kajale et al., Current-induced switching of a van der Waals ferromagnet at room temperature, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45586-4

Journaloplysninger: Nature Communications

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.