Atomschichtmagnete in Richtung grüner Computer treiben

Weltweit erlebt die Datenverarbeitung ein beispielloses Wachstum, angetrieben durch die Vorteile der künstlichen Intelligenz. In diesem Zusammenhang ist der enorme Energiebedarf der globalen Computerinfrastruktur zu einem großen Problem geworden, und die Entwicklung wesentlich energieeffizienterer Computergeräte stellt eine große Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft dar.

Die Verwendung magnetischer Materialien zum Bau von Computergeräten wie Speichern und Prozessoren hat sich als vielversprechender Weg für die Entwicklung von Computern jenseits von CMOS erwiesen, die viel weniger Strom verbrauchen würden als herkömmliche Computer. Das Umschalten der Magnetisierung in Magneten kann beim Rechnen auf die gleiche Weise genutzt werden, wie ein Transistor von offen nach geschlossen schaltet, um die Nullen und Einsen eines Binärcodes darzustellen.

Während sich ein Großteil der Forschung in dieser Richtung auf die Verwendung von magnetischen Massenmaterialien konzentrierte, bietet eine neue Klasse magnetischer Materialien, sogenannte zweidimensionale Van-der-Waals-Magnete, überlegene Eigenschaften, die die Skalierbarkeit und Energieeffizienz magnetischer Geräte zu ihrer Herstellung verbessern können kommerziell realisierbar. lebensfähig.

Obwohl die Vorteile der Umstellung auf 2D-Magnetmaterialien offensichtlich sind, wurde ihre praktische Einführung in Computer durch einige grundlegende Herausforderungen behindert. Bis vor Kurzem konnten 2D-Magnetmaterialien ebenso wie Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden. Daher bleibt es ein vorrangiges Ziel, ihre Betriebstemperaturen über die Umgebungstemperatur zu bringen. Darüber hinaus ist es für den Einsatz in Computern wichtig, dass diese elektrisch gesteuert werden können, ohne dass magnetische Felder erforderlich sind.

Die Überbrückung dieser grundlegenden Lücke, bei der 2D-Magnetmaterialien ohne Magnetfelder über Raumtemperatur elektrisch geschaltet werden können, könnte möglicherweise die Umsetzung von 2D-Magneten in die nächste Generation „grüner“ Computer katapultieren.

Ein Team von MIT-Forschern hat nun diesen entscheidenden Schritt getan, indem sie ein „Van-der-Waals-Atomschicht-Heterostruktur“-Gerät entwickelt haben, bei dem ein 2D-Van-der-Waals-Magnet, Eisengalliumtellurid, mit einem anderen 2D-Material, Wolframditellurid, verbunden ist. In einem Open-Access-Artikel veröffentlicht in Wissenschaftler machen FortschritteDas Team zeigt, dass der Magnet zwischen den Zuständen 0 und 1 umgeschaltet werden kann, indem einfach elektrische Stromimpulse durch sein zweischichtiges Gerät angelegt werden.

„Unser Gerät ermöglicht eine robuste Magnetisierungsumschaltung ohne die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds und eröffnet beispiellose Möglichkeiten für extrem energieeffiziente und umweltfreundliche Computertechnologie für Big Data und KI“, sagt Hauptautorin Deblina Sarkar, Assistenzprofessorin für Karriereentwicklung bei AT&T. des MIT Media Lab und des Center for Neurobiological Engineering sowie Leiter der Nano-Cybernetic Biotrek-Forschungsgruppe. „Darüber hinaus bietet die atomare Schichtstruktur unseres Geräts einzigartige Möglichkeiten, einschließlich verbesserter Möglichkeiten zur Abstimmung der Schnittstellen- und Gate-Spannung sowie flexibler und transparenter Spintronik-Technologien.“

Sarkar wird bei dem Artikel von Erstautor Shivam Kajale unterstützt, einem Doktoranden in Sarkars Forschungsgruppe am Media Lab; Thanh Nguyen, Doktorand in der Abteilung für Nuklearwissenschaft und -technik (NSE); Nguyen Tuan Hung, MIT-Gastwissenschaftler in NSE und Assistenzprofessor an der Tohoku-Universität in Japan; und Mingda Li, außerordentlicher Professor der NSE.

Spiegelsymmetrien brechen

Wenn elektrischer Strom durch Schwermetalle wie Platin oder Tantal fließt, werden Elektronen aufgrund ihrer Spinkomponente in den Materialien getrennt, ein Phänomen, das als Spin-Hall-Effekt bezeichnet wird, erklärt Kajale. Die Art und Weise, wie diese Entmischung erfolgt, hängt vom Material und insbesondere von seinen Symmetrien ab.

„Die Umwandlung von elektrischem Strom in Spinströme in Schwermetallen ist das Herzstück der elektrischen Steuerung von Magneten“, bemerkt Kajale. „Die mikroskopische Struktur herkömmlich verwendeter Materialien wie Platin weist eine Art Spiegelsymmetrie auf, die Spinströme nur auf die Spinpolarisation in der Ebene beschränkt.“

Kajale erklärt, dass zwei Spiegelsymmetrien gebrochen werden müssen, um eine Spinkomponente „außerhalb der Ebene“ zu erzeugen, die auf eine magnetische Schicht übertragen werden kann, um ein feldfreies Schalten zu induzieren. „Elektrischer Strom kann die Spiegelsymmetrie entlang einer Platinebene ,brechen‘, aber seine Kristallstruktur verhindert, dass die Spiegelsymmetrie in einer zweiten Ebene gebrochen wird.“

In ihren vorherigen Experimenten nutzten die Forscher ein kleines Magnetfeld, um die zweite Ebene des Spiegels zu zerbrechen. Um die Notwendigkeit einer magnetischen Verstärkung zu beseitigen, suchten Kajale, Sarkar und ihre Kollegen stattdessen nach einem Material mit einer Struktur, die in der Lage ist, die zweite Ebene des Spiegels ohne fremde Hilfe zu durchbrechen. Dies führte sie zu einem anderen 2D-Material, Wolframditellurid.

Das von den Forschern verwendete Wolframditellurid weist eine orthorhombische Kristallstruktur auf. Das Material selbst hat eine gebrochene Spiegelebene. Wenn also ein Strom entlang seiner niedrigen Symmetrieachse (parallel zur Ebene des zerbrochenen Spiegels) angelegt wird, weist der resultierende Spinstrom eine Spinkomponente außerhalb der Ebene auf, die direkt ein Schalten im angebundenen ultradünnen Magneten induzieren kann. mit Wolframditellurid.

„Da es sich auch um ein 2D-Van-der-Waals-Material handelt, kann es auch sicherstellen, dass wir beim Stapeln der beiden Materialien einwandfreie Grenzflächen und einen guten Fluss elektronischer Spins zwischen den Materialien erhalten“, erklärt Kajale.

Werden Sie energieeffizienter

Computerspeicher und Prozessoren aus magnetischen Materialien verbrauchen weniger Strom als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis. Und Van-der-Waals-Magnete können im Vergleich zu magnetischen Massenmaterialien eine höhere Energieeffizienz und eine bessere Skalierbarkeit bieten, stellen die Forscher fest.

Die zum Schalten des Magneten verwendete elektrische Stromdichte ergibt die Menge an Energie, die beim Schalten verloren geht. Eine geringere Dichte bedeutet ein wesentlich energieeffizienteres Material.

„Das neue Design zeichnet sich durch eine der niedrigsten Stromdichten unter den magnetischen Van-der-Waals-Materialien aus“, sagt Kajale. „Dieses neue Design erfordert einen um eine Größenordnung geringeren Schaltstrom in Schüttgütern. Dies führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz um etwa zwei Größenordnungen.“

Das Forschungsteam untersucht derzeit ähnliche Van-der-Waals-Materialien mit niedriger Symmetrie, um herauszufinden, ob sie die Stromdichte noch weiter reduzieren können. Sie hoffen auch, mit anderen Forschern zusammenzuarbeiten, um Wege zu finden, 2D-Magnetschaltgeräte im kommerziellen Maßstab herzustellen.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die Neuigkeiten über Forschung, Innovation und Bildung des MIT berichtet.