Wetenschap
Onderzoekers ontsluiten het potentieel van 2D-magnetische apparaten voor toekomstig computergebruik
Stel je een toekomst voor waarin computers kunnen leren en beslissingen kunnen nemen op manieren die het menselijk denken nabootsen, maar met een snelheid en efficiëntie die ordes van grootte groter zijn dan de huidige mogelijkheden van computers.
Een onderzoeksteam van de Universiteit van Wyoming heeft een innovatieve methode ontwikkeld om kleine magnetische toestanden te controleren binnen ultradunne, tweedimensionale (2D) van der Waals-magneten – een proces dat lijkt op hoe het omdraaien van een lichtschakelaar een gloeilamp bestuurt.
"Onze ontdekking zou kunnen leiden tot geavanceerde geheugenapparaten die meer gegevens opslaan en minder stroom verbruiken, of de ontwikkeling mogelijk maken van geheel nieuwe typen computers die snel problemen kunnen oplossen die momenteel hardnekkig zijn", zegt Jifa Tian, assistent-professor bij de UW-afdeling van Natuur- en Sterrenkunde en interim-directeur van UW's Centre for Quantum Information Science and Engineering.
Tian is corresponderend auteur van een artikel met de titel "Tunneling current-driven spin states in weinig-laagse van der Waals-magneten", gepubliceerd in Nature Communications .
Van der Waals-materialen bestaan uit sterk verbonden 2D-lagen die in de derde dimensie worden gebonden door zwakkere Van der Waals-krachten. Grafiet is bijvoorbeeld een van der Waals-materiaal dat in de industrie breed wordt toegepast in elektroden, smeermiddelen, vezels, warmtewisselaars en batterijen. De aard van de Van der Waals-krachten tussen lagen maakt het voor onderzoekers mogelijk om plakband te gebruiken om de lagen tot atomaire dikte af te pellen.
Het team ontwikkelde een apparaat dat bekend staat als een magnetische tunnelovergang en dat gebruik maakt van chroomtrijodide – een 2D-isolerende magneet van slechts een paar atomen dik – ingeklemd tussen twee lagen grafeen. Door een kleine elektrische stroom (een zogenaamde tunnelstroom) door deze sandwich te sturen, kan de richting van de oriëntatie van de magnetische domeinen (zo'n 100 nanometer groot) worden bepaald binnen de individuele chroomtrijodidelagen, zegt Tian.
Concreet:"Deze tunnelstroom kan niet alleen de schakelrichting tussen twee stabiele spintoestanden controleren, maar induceert en manipuleert ook het schakelen tussen metastabiele spintoestanden, stochastisch schakelen genoemd", zegt ZhuangEn Fu, een afgestudeerde student in het onderzoekslaboratorium van Tian en nu een postdoctoraal onderzoeker. fellow aan de Universiteit van Maryland.
"Deze doorbraak is niet alleen intrigerend; het is zeer praktisch. Het verbruikt drie ordes van grootte minder energie dan traditionele methoden, vergelijkbaar met het verwisselen van een oude gloeilamp voor een LED, wat het een potentiële game-changer voor toekomstige technologie maakt", zegt Tian. "Ons onderzoek zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe computerapparatuur die sneller, kleiner, energiezuiniger en krachtiger zijn dan ooit tevoren. Ons onderzoek markeert een aanzienlijke vooruitgang in magnetisme op de 2D-limiet en bereidt de weg voor nieuwe, krachtige computerplatforms , zoals probabilistische computers."
Traditionele computers gebruiken bits om informatie op te slaan als 0-en en 1-en. Deze binaire code vormt de basis van alle klassieke computerprocessen. Kwantumcomputers gebruiken kwantumbits die zowel "0" als "1" tegelijkertijd kunnen vertegenwoordigen, waardoor de verwerkingskracht exponentieel toeneemt.
"In ons werk hebben we iets ontwikkeld wat je zou kunnen zien als een probabilistische bit, die kan schakelen tussen '0' en '1' (twee spintoestanden) op basis van de door de tunnelstroom gecontroleerde waarschijnlijkheden, " zegt Tian. "Deze bits zijn gebaseerd op de unieke eigenschappen van ultradunne 2D-magneten en kunnen op een manier die vergelijkbaar is met neuronen in de hersenen aan elkaar worden gekoppeld om een nieuw soort computer te vormen, bekend als een probabilistische computer."
"Wat deze nieuwe computers potentieel revolutionair maakt, is hun vermogen om taken uit te voeren die ongelooflijk uitdagend zijn voor traditionele en zelfs kwantumcomputers, zoals bepaalde soorten complexe machine learning-taken en gegevensverwerkingsproblemen", vervolgt Tian. "Ze zijn van nature tolerant ten opzichte van fouten, hebben een eenvoudig ontwerp en nemen minder ruimte in beslag, wat zou kunnen leiden tot efficiëntere en krachtigere computertechnologieën."
Hua Chen, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Colorado State University, en Allan MacDonald, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Texas-Austin, werkten samen om een theoretisch model te ontwikkelen dat verduidelijkt hoe tunnelstromen de spintoestanden in de 2D magnetische tunnelovergangen beïnvloeden. Andere bijdragen kwamen van Penn State University, Northeastern University en het National Institute for Materials Science in Namiki, Tsukuba, Japan.