Dagens datorer ger lagring av enorma mängder information med extremt stora datatätheter, men att skriva och hämta denna information kostar mycket energi. Mer än 99 procent av den förbrukade kraften för informationslagring och behandling går till spillo i form av värme, en stor huvudvärk som fortfarande inte har avtagit.

Ett team av forskare från Frankrike och Ryssland har nu utvecklat en magnetoelektrisk random access memory (MELRAM) cell som har potential att öka energieffektiviteten, och därigenom minska värmeavfallet, av storleksordningar för läsoperationer vid rumstemperatur. Forskningen kan hjälpa till att producera enheter som t.ex. bärbara datorer direkt, nära-till-noll-förbrukning flash-enheter, och datalagringscentra som kräver mycket mindre luftkonditionering. Forskargruppen rapporterade sina resultat denna vecka i Tillämpad fysikbokstäver .

Miljarder transistorer kan nu etsas på enstaka marker i ett utrymme på en krona, men någon gång, att öka detta antal för ännu bättre prestanda med samma utrymme kommer inte att vara möjligt. Den stora tätheten hos dessa nanoskopiska transistorer leder till mer oönskad värme tillsammans med kvantnivåinteraktioner som nu måste åtgärdas.

Under de senaste åren har forskning har ökat för att utforska elektronernas magnetiska egenskaper i ett fenomen som kallas magnetoelektrisk effekt. Denna effekt, ofta av intresse för forskningsområdet som kallas spintronics, utnyttjar elektronens snurr, istället för dess avgift. Snurr kan eventuellt manipuleras i mindre skala med mycket mindre energi.

De flesta ansträngningar har fokuserat på att minska energin för skrivoperationerna i magnetminnen, eftersom dessa operationer vanligtvis använder mer energi än läsoperationer. År 2010, samma franska och ryska team visade att en kombination av magnetoelastiska och piezoelektriska material i en magnetoelektrisk minnescell kan möjliggöra en 100-faldig minskning av den energi som behövs för skrivprocessen. I forskarnas senaste uppsats, de visar att samma magnetoelektriska princip också kan användas för läsoperationer med extra låg energiförbrukning.

"Vi fokuserade på läsningsoperationer i det här dokumentet eftersom potentialen för att skrivenergin är mycket låg i magnetoelektriska system innebär att energiutmatningen nu blir högre för läsoperationer, "sade Nicolas Tiercelin, medförfattare till tidningen och en forskare från Center national de la recherche scientifique (CNRS) som forskar vid Institute of Electronics, Mikroelektronik och nanoteknik i Lille, Frankrike.

Kärnan i forskarnas MELRAM -minnescell bygger på att kombinera egenskaperna hos två typer av material genom att koppla dem mekaniskt. Magnetlegeringar-en baserad på en kombination av terbium-kobolt och den andra baserad på järn och kobolt-med tjocklekar på några nanometer staplas ovanpå varandra. Legeringarna bildar ett magnetoelastiskt nanokompositmaterial vars magnetiska snurr reagerar på mekanisk spänning.

Dessa legeringar placeras sedan på ett piezoelektriskt substrat, som består av relaxor ferroelektriska, exotiska material som ändrar form eller dimensioner när de utsätts för ett elektriskt fält.

"Tillsammans, dessa material utgör multiferroiska heterostrukturer där kontrollen av de magnetiska egenskaperna möjliggörs genom applicering av en elektrisk spänning, "Sa Tiercelin.

"Nanokomposit -flerskiktet ger stark magnetoelektrisk interaktion vid rumstemperatur, "sade Vladimir Preobrazhensky, en annan medförfattare till tidningen och forskningsdirektör vid Wave Research Center, Prokhorov General Physics Institute of Russian Academy of Sciences i Moskva. "Denna interaktion är den grundläggande mekanismen för kontroll av magnetiska tillstånd genom det elektriska fältet. Denna egenskap hos det magnetoelektriska minnet är ursprunget till dess extremt låga energiförbrukning."