När elektronikens energieffektivitet utgör en utmaning, magnetiska material kan ha en lösning.

Energieffektivitet kommer att göra eller bryta framtiden. I takt med att efterfrågan på energi från elektronik fortsätter att öka, Semiconductor Research Corporation varnar för att inom två decennier, det globala beräkningsbehovet för energi kommer att vara större än den totala mängden som produceras. Vincent Sokalski, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Carnegie Mellon University, arbetar med en lösning på detta problem-med hjälp av magnetiska material för energieffektivt minne och beräkning.

Sokalski fick nyligen ett bidrag på 1,8 miljoner dollar från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) för sitt projekt, "Domänväggskyrmions:Topologiska excitationer begränsade till 1-D-kanaler." Tillsammans med CMU -professorerna Marc De Graef (MSE) och Di Xiao (fysik), Sokalski kommer att utforska nya sätt att effektivt bearbeta och lagra information med magnetiska material.

Även om magnetiska material redan används i dagens hårddiskar för långtidslagring, halvledare används för närvarande för korttidsminne och behandling, det är där det mesta av energin förbrukas. Dock, som halvledare krymper för att möta konsumenternas förväntningar på hastighet och densitet, det finns en gräns för hur små de kan göras utan att riskera förlust av information. DARPA erkänner denna utmaning, och forskningsprojekt som finansieras av DARPA:s program "Topologiska excitationer i elektronik" för att hitta sätt att använda "topologiskt skydd" för att förbättra magnetiska material som kan användas för datorminne eller processorer.

Tänk dig en skål med en liten boll som rullar inuti. När du skakar det, bollen rör sig upp och ner i skålens väggar, stannar inne. Dock, om du gjorde detta med en mindre skål, bollen kan så småningom falla ut. Liknande, när en halvledare utsätts för värme, det riskerar att förlora information. Ju mindre du tillverkar halvledare, desto större risk för dataförlust.

"Den grundläggande fysiken bakom det är inte något vi snabbt kan ändra, "förklarar Sokalski, "men vi kan titta på helt olika materialsystem och mekanismer där vi rör oss runt magnetiska funktioner, och att använda dessa magnetiska funktioner för att ändra motståndet hos en beräkningsenhet. Men för att göra det, vi behöver verkligen utforska och upptäcka nya material som kan tjäna det syftet. "

Ange magnetiska material. Genom att förbättra magnetiska material, Sokalski hoppas att en dag hitta nytt material som kan öka, eller till och med ersätta, halvledare inom beräkning.

Sokalskis projekt börjar med magnetiska skyrmions, eller 2-D magnetiska bubblor. Om den används i datorminne, varje bubbla skulle lagra en enda bit data.

"Skyrmions är en pånyttfödelse av idén om bubbelminne" som studerades mycket på 1970- och 80 -talen, säger Sokalski. "Förutom nu är bubblorna mycket mindre, stabilare, och har topologiskt skydd, så vi kan flytta runt dem med större energieffektivitet än vi någonsin kunde ha flyttat dem för cirka 40 eller 50 år sedan. "

I magnetiska material, tänk på varje elektron som en liten stångmagnet med en nord- och sydpol som alla pekar i samma riktning. Dessa kallas snurr. Sokalski är intresserad av hur man skapar topologiska defekter i raderna i dessa snurr.

För att förstå vikten av topologiskt skydd, du måste först förstå topologiska defekter. Tänk dig att stapla ett ostbricka med en vän. En av er börjar på höger sida av brickan, stapla upp varje ostbit ovanpå nästa, och den andra börjar på vänster sida. Så småningom, du möts i mitten, och dina ostskivor kommer att kollidera, snarare än att rikta in sig i samma vinkel. Den punkten där de kolliderar är kärnan i en topologisk defekt.

För att radera en topologisk defekt, du måste vända varje "ostskiva" på ena sidan av defekten. I magnetism, om hälften av dina snurr i en kedja pekar inåt till vänster, och alla andra pekar motsatt riktning, du får ett fel i mitten. För att få defekten att försvinna, du måste vända varje snurr på ena sidan, flytta bort den till kanten av kedjan.

I magnetism, dessa topologiska defekter är mycket värdefulla. Om du har en topologisk defekt, det betyder att dina data är topologiskt skyddade, för om bara ett snurr spontant vänder för att peka i motsatt riktning, defekten bara skiftar, snarare än att försvinna.

Varför dyker detta ämne plötsligt upp inom forskning om magnetiska material? All magnetism är baserad på något som kallas Heisenberg Exchange, en kvantmekanisk effekt som får elektronspinn att justeras i en parallell orientering. Dock, upptäckten av ett nytt fenomen som kallas Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) leder till en vinkelrät inriktning av angränsande snurr. Kombinationen av Heisenberg Exchange och DMI, vilket är vad Sokalski studerar, ger upphov till en ny typ av magnetism som får elektronspinn att ha en kontinuerligt spiralformad konfiguration.

"Det visar sig att funktioner i magnetiska material som stabiliseras av denna nya interaktion faktiskt kan manipuleras med bättre effektivitet än i fall där det bara är Heisenberg Exchange, säger Sokalski.

Att ha större kontroll över skyrmions och topologiska defekter skulle innebära mer tillförlitlig datalagring och energieffektivitet vid beräkning.

"DARPA vill kringgå den väntande utmaningen med energieffektiv elektronik, säger Sokalski, "och det sträcker sig från de mest grundläggande fysiska begreppen spinn till designen av datorer som har en helt annan kretsarkitektur. Vår forskning kommer att leda till energieffektiva datorer som tillgodoser behoven hos artificiell intelligens och småskaliga datorer, samtidigt som de minskar deras globala energifotavtryck. "

MSE Ph.D. studenterna Maxwell Li och Derek Lau och fysikens postdoktor Ran Cheng är medarbetare i detta projekt, förutom Co-PIs Tim Mewes och Claudia Mewes vid University of Alabama.