Naarmate onze levens steeds meer verweven raken met technologie, of het nu gaat om het ondersteunen van communicatie terwijl we op afstand werken of het streamen van onze favoriete show, neemt ook onze afhankelijkheid van de gegevens die deze apparaten creëren toe. Datacenters die deze technologische ecosystemen ondersteunen, produceren een aanzienlijke CO2-voetafdruk en verbruiken jaarlijks 200 terawattuur aan energie, groter is dan het jaarlijkse energieverbruik van Iran. Om ecologische zorgen in evenwicht te brengen en toch aan de groeiende vraag te voldoen, vooruitgang in micro-elektronische processors - de ruggengraat van veel Internet of Things (IoT) -apparaten en datahubs - moet efficiënt en milieuvriendelijk zijn.

Materiaalwetenschappers van de Northwestern University hebben nieuwe ontwerpprincipes ontwikkeld die de ontwikkeling van toekomstige kwantummaterialen kunnen stimuleren die worden gebruikt om (IoT)-apparaten en andere hulpbronnenintensieve technologieën vooruit te helpen, terwijl ecologische schade wordt beperkt.

"Er zijn nieuwe baanbrekende materialen en computerparadigma's nodig om datacenters in de toekomst energiezuiniger te maken, " zei James Rondinelli, hoogleraar materiaalkunde en engineering en de Morris E. Fine Professor in Materials and Manufacturing aan de McCormick School of Engineering, die het onderzoek leidde.

De studie markeert een belangrijke stap in Rondinelli's inspanningen om nieuwe materialen te creëren die niet-vluchtig, energiezuinig, en minder warmte genereren - belangrijke aspecten van toekomstige ultrasnelle, elektronica met laag vermogen en kwantumcomputers die kunnen helpen voldoen aan de groeiende vraag naar data in de wereld.

In plaats van dat bepaalde klassen van halfgeleiders de lading van het elektron in transistors gebruiken om rekenkracht aan te wakkeren, solid-state spin-gebaseerde materialen maken gebruik van de spin van het elektron en hebben het potentieel om geheugenapparaten met een lage energie te ondersteunen. Vooral, materialen met een hoogwaardige persistente spintextuur (PST) kunnen een langlevende persistente spin-helix (PSH) vertonen, die kan worden gebruikt om de op spin gebaseerde informatie in een transistor te volgen of te regelen.

Hoewel veel op spin gebaseerde materialen al informatie coderen met spins, die informatie kan worden beschadigd als de spins zich voortplanten in het actieve deel van de transistor. De nieuwe PST van de onderzoekers beschermt die spin-informatie in helixvorm, waardoor het een potentieel platform wordt waar ultralage energie en ultrasnelle spin-gebaseerde logica en geheugenapparaten werken.

Het onderzoeksteam gebruikte kwantummechanische modellen en computationele methoden om een ​​raamwerk te ontwikkelen om de spintexturen in een groep niet-centrosymmetrische kristallijne materialen te identificeren en te beoordelen. Het vermogen om de spin-levensduren en transporteigenschappen in deze materialen te controleren en te optimaliseren, is van vitaal belang voor het realiseren van de toekomst van kwantummicro-elektronische apparaten die werken met een laag energieverbruik.

"Het beperkende kenmerk van op spin gebaseerd computergebruik is de moeilijkheid om zowel langlevende als volledig controleerbare spins te verkrijgen uit conventionele halfgeleider- en magnetische materialen, " zei Rondinelli. "Onze studie zal toekomstige theoretische en experimentele inspanningen helpen die gericht zijn op het beheersen van spins in anderszins niet-magnetische materialen om te voldoen aan toekomstige schaal- en economische eisen."

Rondinelli's raamwerk gebruikte microscopische effectieve modellen en groepentheorie om drie materiaalontwerpcriteria te identificeren die bruikbare spintexturen zouden produceren:dragerdichtheid, het aantal elektronen dat zich voortplant door een effectief magnetisch veld, Rashba anisotropie, de verhouding tussen intrinsieke spin-baankoppelingsparameters van de materialen, en momentum ruimtebezetting, het PST-gebied dat actief is in de elektronische bandstructuur. Deze kenmerken werden vervolgens beoordeeld met behulp van kwantummechanische simulaties om hoogpresterende PSH's te ontdekken in een reeks op oxide gebaseerde materialen.

De onderzoekers gebruikten deze principes en numerieke oplossingen voor een reeks differentiële spin-diffusievergelijkingen om de spintextuur van elk materiaal te beoordelen en de spinlevensduur voor de helix in de sterke spin-baankoppelingslimiet te voorspellen. Ze ontdekten ook dat ze de PST-prestaties konden aanpassen en verbeteren met behulp van atomaire vervormingen op picoschaal. De groep bepaalde een optimaal PST-materiaal, Sr3Hf2O7, die een aanzienlijk langere spin-levensduur voor de helix vertoonde dan in eerder gerapporteerd materiaal.

"Onze aanpak biedt een unieke chemie-agnostische strategie om te ontdekken, identificeren, en beoordeel symmetrie-beschermde persistente spin-texturen in kwantummaterialen met behulp van intrinsieke en extrinsieke criteria, " zei Rondinelli. "We hebben een manier voorgesteld om het aantal ruimtegroepen die een PST hosten uit te breiden, die kan dienen als een reservoir van waaruit toekomstige PST-materialen kunnen worden ontworpen, en vond nog een ander gebruik voor ferro-elektrische oxiden - verbindingen met een spontane elektrische polarisatie. Ons werk zal ook helpen bij het begeleiden van experimentele inspanningen gericht op het implementeren van de materialen in echte apparaatstructuren."

Een document waarin het werk wordt beschreven, getiteld "Ontdekkingsprincipes en materialen voor symmetrie-beschermde persistente spin-texturen met lange spin-levens", " werd op 18 september online gepubliceerd in het tijdschrift Materie .