Wetenschap
Atomisch gelaagde magneten voortstuwen naar groene computers
Wereldwijd groeit het computergebruik in een ongekend tempo, aangewakkerd door de voordelen van kunstmatige intelligentie. Hierdoor is de duizelingwekkende vraag naar energie van de computerinfrastructuur in de wereld een grote zorg geworden, en de ontwikkeling van computerapparatuur die veel energiezuiniger is, is een belangrijke uitdaging voor de wetenschappelijke gemeenschap.
Het gebruik van magnetische materialen om computerapparatuur zoals geheugens en processors te bouwen is een veelbelovende weg gebleken voor het creëren van "beyond-CMOS"-computers, die veel minder energie zouden verbruiken in vergelijking met traditionele computers. Magnetisatieschakeling in magneten kan bij berekeningen op dezelfde manier worden gebruikt als een transistor die van open naar gesloten schakelt om de nullen en enen van binaire code weer te geven.
Hoewel een groot deel van het onderzoek in deze richting zich heeft gericht op het gebruik van magnetische bulkmaterialen, biedt een nieuwe klasse magnetische materialen – tweedimensionale van der Waals-magneten genoemd – superieure eigenschappen die de schaalbaarheid en energie-efficiëntie van magnetische apparaten kunnen verbeteren om ze commercieel te maken. levensvatbaar.
Hoewel de voordelen van de overstap naar 2D-magnetische materialen duidelijk zijn, wordt de praktische introductie ervan in computers gehinderd door enkele fundamentele uitdagingen. Tot voor kort konden 2D-magnetische materialen alleen bij zeer lage temperaturen werken, net als supergeleiders. Het is dus een primair doel gebleven om hun bedrijfstemperaturen boven kamertemperatuur te brengen. Daarnaast is het voor gebruik in computers van belang dat deze elektrisch aangestuurd kunnen worden, zonder dat er magnetische velden nodig zijn.
Het overbruggen van deze fundamentele kloof, waarbij 2D-magnetische materialen elektrisch kunnen worden geschakeld boven kamertemperatuur zonder enige magnetische velden, zou de vertaling van 2D-magneten mogelijk naar de volgende generatie "groene" computers kunnen katapulteren.
Een team van MIT-onderzoekers heeft nu deze cruciale mijlpaal bereikt door een "van der Waals atomisch gelaagde heterostructuur" -apparaat te ontwerpen waarbij een 2D van der Waals-magneet, ijzergalliumtelluride, wordt gekoppeld aan een ander 2D-materiaal, wolfraamditelluride. In een open access paper gepubliceerd in Science Advances laat het team zien dat de magneet tussen de 0- en 1-status kan worden geschakeld door simpelweg elektrische stroompulsen over hun tweelaagse apparaat aan te leggen.
"Ons apparaat maakt robuuste magnetisatieschakeling mogelijk zonder de noodzaak van een extern magnetisch veld, waardoor ongekende mogelijkheden ontstaan voor ultralaag energieverbruik en ecologisch duurzame computertechnologie voor big data en AI", zegt hoofdauteur Deblina Sarkar, assistent-professor bij AT&T Career Development bij het MIT Media Lab en Center for Neurobiological Engineering, en hoofd van de onderzoeksgroep Nano-Cybernetic Biotrek. "Bovendien biedt de atomair gelaagde structuur van ons apparaat unieke mogelijkheden, waaronder een verbeterde interface en mogelijkheden voor het afstemmen van de poortspanning, evenals flexibele en transparante spintronische technologieën."
Sarkar wordt op het artikel vergezeld door eerste auteur Shivam Kajale, een afgestudeerde student in Sarkars onderzoeksgroep bij het Media Lab; Thanh Nguyen, een afgestudeerde student bij de afdeling Nucleaire Wetenschap en Techniek (NSE); Nguyen Tuan Hung, een MIT gastonderzoeker in NSE en assistent-professor aan de Tohoku Universiteit in Japan; en Mingda Li, universitair hoofddocent NSE.
De spiegelsymmetrieën doorbreken
Wanneer elektrische stroom door zware metalen zoals platina of tantaal stroomt, worden de elektronen in de materialen gescheiden op basis van hun spincomponent, een fenomeen dat het spin Hall-effect wordt genoemd, zegt Kajale. De manier waarop deze segregatie plaatsvindt, hangt af van het materiaal, en vooral van de symmetrieën.
"De omzetting van elektrische stroom in spinstromen in zware metalen vormt de kern van het elektrisch besturen van magneten", merkt Kajale op. "De microscopische structuur van conventioneel gebruikte materialen, zoals platina, heeft een soort spiegelsymmetrie, die de spinstromen alleen beperkt tot spinpolarisatie in het vlak."
Kajale legt uit dat twee spiegelsymmetrieën moeten worden verbroken om een 'out-of-plane' spincomponent te produceren die kan worden overgebracht naar een magnetische laag om veldvrij schakelen te induceren. "Elektrische stroom kan de spiegelsymmetrie langs één vlak in platina 'breken', maar de kristalstructuur ervan voorkomt dat de spiegelsymmetrie in een tweede vlak wordt verbroken."
In hun eerdere experimenten gebruikten de onderzoekers een klein magnetisch veld om het tweede spiegelvlak te breken. Om de noodzaak van een magnetisch duwtje weg te nemen, zochten Kajale en Sarkar en collega's in plaats daarvan naar een materiaal met een structuur dat het tweede spiegelvlak zonder hulp van buitenaf kon breken. Dit leidde hen naar een ander 2D-materiaal, wolfraamditelluride.
Het wolfraam ditelluride dat de onderzoekers gebruikten heeft een orthorhombische kristalstructuur. Het materiaal zelf heeft één gebroken spiegelvlak. Door stroom aan te leggen langs de as met lage symmetrie (parallel aan het gebroken spiegelvlak), heeft de resulterende spinstroom dus een spincomponent buiten het vlak die direct een schakeling kan induceren in de ultradunne magneet die is gekoppeld aan het wolfraamditelluride.
"Omdat het ook een 2D Van der Waals-materiaal is, kan het er ook voor zorgen dat wanneer we de twee materialen op elkaar stapelen, we onberispelijke grensvlakken en een goede stroom elektronenspins tussen de materialen krijgen", zegt Kajale.
Energie-efficiënter worden
Computergeheugen en processors die zijn opgebouwd uit magnetische materialen gebruiken minder energie dan traditionele, op silicium gebaseerde apparaten. En de van der Waals-magneten kunnen een hogere energie-efficiëntie en betere schaalbaarheid bieden in vergelijking met magnetisch bulkmateriaal, merken de onderzoekers op.
De elektrische stroomdichtheid die wordt gebruikt voor het schakelen van de magneet vertaalt zich in de hoeveelheid energie die wordt gedissipeerd tijdens het schakelen. Een lagere dichtheid betekent een veel energiezuiniger materiaal.
"Het nieuwe ontwerp heeft een van de laagste stroomdichtheden in magnetische materialen van der Waals", zegt Kajale. "Dit nieuwe ontwerp heeft een orde van grootte lager in termen van de schakelstroom die nodig is in bulkmaterialen. Dit vertaalt zich in een verbetering van ongeveer twee ordes van grootte in de energie-efficiëntie."
Het onderzoeksteam kijkt nu naar soortgelijke laag-symmetrie van der Waals-materialen om te zien of ze de stroomdichtheid nog verder kunnen verminderen. Ze hopen ook samen te werken met andere onderzoekers om manieren te vinden om de 2D magnetische schakelapparaten op commerciële schaal te produceren.