Wanneer de energie-efficiëntie van elektronica een uitdaging vormt, magnetische materialen hebben misschien een oplossing.

Energie-efficiëntie zal de toekomst maken of breken. Omdat de vraag naar energie uit elektronica blijft groeien, de Semiconductor Research Corporation waarschuwt dat binnen twee decennia, de wereldwijde computationele vraag naar energie zal groter zijn dan de totale geproduceerde hoeveelheid. Vincent Sokalski, een assistent-professor materiaalwetenschap en techniek aan de Carnegie Mellon University, werkt aan een oplossing voor dit probleem:het gebruik van magnetische materialen voor energiezuinig geheugen en computergebruik.

Sokalski ontving onlangs een subsidie ​​van $ 1,8 miljoen van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) voor zijn project, "Domeinmuur skyrmions:topologische excitaties beperkt tot 1-D-kanalen." Samen met CMU Professoren Marc De Graef (MSE) en Di Xiao (Natuurkunde), Sokalski zal nieuwe manieren onderzoeken om informatie efficiënt te verwerken en op te slaan met magnetische materialen.

Hoewel magnetische materialen al worden gebruikt in de harde schijven van vandaag voor langdurige opslag, halfgeleiders worden momenteel gebruikt voor kortetermijngeheugen en verwerking, daar wordt de meeste energie verbruikt. Echter, als halfgeleiders krimpen om te voldoen aan de verwachtingen van de consument voor snelheid en dichtheid, er komt een grens aan hoe klein ze kunnen worden gemaakt zonder het risico van verlies van informatie. DARPA erkent deze uitdaging, en onderzoeksprojecten gefinancierd door DARPA's "Topological Excitations in Electronics"-programmacentrum om manieren te vinden om "topologische bescherming" te gebruiken om magnetische materialen te verbeteren die kunnen worden gebruikt voor computergeheugenopslag of processors.

Stel je een kom voor met een kleine bal die erin rolt. Terwijl je het schudt, de bal beweegt op en neer langs de wanden van de kom, binnen blijven. Echter, als je dit met een kleinere kom deed, de bal kan uiteindelijk uitvallen. evenzo, wanneer een halfgeleider wordt blootgesteld aan hitte, het loopt het risico informatie te verliezen. Hoe kleiner u halfgeleiders maakt, hoe groter het risico op gegevensverlies.

"De fundamentele fysica daarachter is niet iets dat we gemakkelijk kunnen veranderen, " legt Sokalski uit, "maar we kunnen kijken naar totaal verschillende materiële systemen en mechanismen waarbij we magnetische kenmerken verplaatsen, en het gebruik van die magnetische kenmerken om de weerstand van een computerapparaat te veranderen. Maar om dat te doen, we moeten echt nieuwe materialen verkennen en ontdekken die dat doel kunnen dienen."

Voer magnetische materialen in. Door magnetische materialen te verbeteren, Sokalski hoopt op een dag nieuwe materialen te vinden die of zelfs vervangen, halfgeleiders in de informatica.

Sokalski's project begint met magnetische skyrmionen, of 2-D magnetische bubbels. Indien gebruikt in computergeheugen, elke bubbel zou een enkel beetje gegevens opslaan.

"Skyrmionen zijn een wedergeboorte van het idee van bubbelgeheugen", dat in de jaren 70 en 80 uitgebreid werd bestudeerd. zegt Sokalski. "Behalve dat de bubbels nu veel kleiner zijn, stabieler, en hebben topologische bescherming, dus we kunnen ze verplaatsen met een grotere energie-efficiëntie dan we ze 40 of 50 jaar geleden ooit hadden kunnen verplaatsen."

Bij magnetische materialen, beschouw elk elektron als een kleine staafmagneet met een noord- en zuidpool die allemaal in dezelfde richting wijzen. Dit worden spins genoemd. Sokalski is geïnteresseerd in het creëren van topologische defecten in lijnen van deze spins.

Om het belang van topologische bescherming te begrijpen, je moet eerst topologische defecten begrijpen. Stel je voor dat je een kaasplateau met een vriend stapelt. Een van jullie begint aan de rechterkant van het dienblad, elk stuk kaas op het volgende stapelen, en de andere begint aan de linkerkant. Eventueel, je zult elkaar in het midden ontmoeten, en je plakjes kaas zullen botsen, in plaats van onder dezelfde hoek uit te lijnen. Dat punt waar ze botsen is de essentie van een topologisch defect.

Om een ​​topologisch defect te wissen, je zou elk "plakje kaas" aan één kant van het defect moeten omdraaien. In magnetisme, als de helft van je spins in een ketting naar links wijst, en alle anderen wijzen in de tegenovergestelde richting, je zou een defect in het midden krijgen. Om het defect te laten verdwijnen, je zou elke draai aan één kant moeten omdraaien, verplaatsen naar de rand van de ketting.

In magnetisme, deze topologische defecten zijn zeer waardevol. Als u een topologisch defect heeft, dat betekent dat uw gegevens topologisch beschermd zijn, want als slechts één spin spontaan omdraait om in de tegenovergestelde richting te wijzen, het defect verschuift gewoon, in plaats van weg te gaan.

Waarom komt dit onderwerp plotseling naar voren in onderzoek naar magnetische materialen? Alle magnetisme is gebaseerd op iets dat de Heisenberg-uitwisseling wordt genoemd, een kwantummechanisch effect dat ervoor zorgt dat elektronenspins in een parallelle oriëntatie worden uitgelijnd. Echter, de ontdekking van een nieuw fenomeen genaamd de Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) leidt tot een loodrechte uitlijning van naburige spins. De combinatie van Heisenberg Exchange en DMI, dat is wat Sokalski bestudeert, geeft aanleiding tot een nieuw soort magnetisme dat ervoor zorgt dat elektronenspins een continu spiraalvormige configuratie hebben.

"Het blijkt dat kenmerken in magnetische materialen die worden gestabiliseerd door deze nieuwe interactie, daadwerkelijk efficiënter kunnen worden gemanipuleerd dan in gevallen waarin het alleen de Heisenberg-uitwisseling is, ', zegt Sokalski.

Meer controle over skyrmionen en topologische defecten zou een betrouwbaardere gegevensopslag en energie-efficiëntie bij computergebruik betekenen.

"DARPA probeert de lopende uitdaging van energiezuinige elektronica te omzeilen, " zegt Sokalski, "en dat gaat van de meest fundamentele fysieke concepten van spin tot het ontwerp van computers met een geheel andere circuitarchitectuur. Ons onderzoek zal leiden tot energie-efficiënt computergebruik dat voldoet aan de behoeften van kunstmatige intelligentie en kleinschalige computers, terwijl ze hun wereldwijde energievoetafdruk verkleinen."

MSE Ph.D. studenten Maxwell Li en Derek Lau en natuurkunde postdoctoraal onderzoeker Ran Cheng werken mee aan dit project, naast Co-PI's Tim Mewes en Claudia Mewes aan de Universiteit van Alabama.