Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford hebben een doorbraak bereikt in het creëren en ontwerpen van magnetische wervelingen in membranen die naadloos kunnen worden geïntegreerd met silicium. Deze orkaanachtige magnetische wervelingen, waarvan men denkt dat ze zich met ongelooflijke snelheden van wel kilometers per seconde voortbewegen, zouden kunnen worden gebruikt als informatiedragers in een nieuwe generatie groene en supersnelle computerplatforms.

De studie, "Ruimtelijk herconfigureerbare antiferromagnetische toestanden in topologisch rijke vrijstaande nanomembranen", is gepubliceerd in Nature Materials .

Traditioneel konden deze ongrijpbare wervelingen alleen worden geproduceerd in materialen die een beperkte compatibiliteit hebben met silicium, wat hun praktische toepassing belemmert. Dit obstakel werd overwonnen door een nieuwe vorm van magnetische lagen te ontwikkelen die kunnen worden losgemaakt van hun oorspronkelijke kristalgastheren en kunnen worden overgebracht naar elk gewenst platform, zoals een siliciumwafel.

Het werk werd geleid door Dr. Hariom Jani van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Oxford, werkzaam in de onderzoeksgroep van professor Paolo Radaelli, in samenwerking met de Nationale Universiteit van Singapore en de Zwitserse lichtbron.

Dr. Jani zei:“Op silicium gebaseerd computergebruik is veel te energie-inefficiënt voor de volgende generatie computertoepassingen, zoals full-scale AI en autonome apparaten. Om deze uitdagingen te overwinnen zal een nieuw computerparadigma nodig zijn dat gebruik maakt van fysieke verschijnselen die zowel snel als krachtig zijn. en efficiënt om de huidige technologie uit te breiden."

"We hebben gekeken naar het benutten van magnetische wervelingen in een speciale klasse materialen, antiferromagneten genaamd, die 100 tot 1000 keer sneller zijn dan moderne apparaten. Het probleem tot nu toe is dat deze wervelingen alleen kunnen worden gecreëerd op stijve kristalsjablonen die niet compatibel zijn met de huidige op silicium gebaseerde technologie, dus ons doel was een manier te vinden om deze exotische wervelingen naar silicium te vertalen."

"Om dit te bereiken hebben we ultradunne kristallijne membranen van hematiet (het hoofdbestanddeel van roest en dus de meest voorkomende antiferromagneet) vervaardigd die zich lateraal over macroscopische afmetingen uitstrekten", legt professor Radaelli uit. "Dergelijke membranen zijn relatief nieuw in de wereld van kristallijne kwantummaterialen en combineren de voordelige eigenschappen van zowel bulk 3D-keramiek als 2D-materialen, terwijl ze ook gemakkelijk overdraagbaar zijn."

De hematietlaag werd bovenop een kristalsjabloon gegroeid dat werd bedekt met een speciale 'opofferingslaag' gemaakt van een cementcomponent. Deze opofferingslaag loste op in water, waardoor het hematiet gemakkelijk van de kristalbasis werd gescheiden. Ten slotte werd het vrijstaande hematietmembraan overgebracht op silicium en verschillende andere wenselijke platforms.

De groep ontwikkelde een nieuwe beeldvormingstechniek met behulp van lineair gepolariseerde röntgenstralen om de magnetische patronen op nanoschaal binnen deze membranen zichtbaar te maken. Deze methode onthulde dat de vrijstaande lagen een robuuste familie van magnetische wervelingen kunnen herbergen. Mogelijk zou dit een ultrasnelle informatieverwerking mogelijk maken.

"Een van onze meest opwindende ontdekkingen was de extreme flexibiliteit van onze hematietmembranen", zegt Dr. Jani.

"In tegenstelling tot hun stijve, keramiekachtige bulk-tegenhangers die gevoelig zijn voor breuk, kunnen onze flexibele membranen in verschillende vormen worden gedraaid, gebogen of gekruld zonder te breken. We hebben deze pas ontdekte flexibiliteit benut om magnetische wervelingen in drie dimensies te ontwerpen, iets dat voorheen In de toekomst zou de vorm van deze membranen niet aangepast kunnen worden om compleet nieuwe wervelingen in 3D-magnetische circuits te realiseren."

De groep werkt nu aan de ontwikkeling van prototype-apparaten die elektrische stromen zullen gebruiken om de rijke dynamiek van deze supersnelle wervelingen op te wekken. Dr. Jani concludeert:"Uiteindelijk zouden dergelijke apparaten kunnen worden geïntegreerd in nieuwe typen computers die meer op het menselijk brein lijken. We zijn erg enthousiast over wat er gaat gebeuren."

Meer informatie: Hariom Jani et al, Ruimtelijk herconfigureerbare antiferromagnetische toestanden in topologisch rijke vrijstaande nanomembranen, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01806-2

Aangeboden door Universiteit van Oxford