I takt med att våra liv blir allt mer sammanflätade med teknik – oavsett om vi stödjer kommunikation medan vi arbetar på distans eller streamar vårt favoritprogram – så gör också vårt beroende av den data som dessa enheter skapar. Datacenter som stöder dessa tekniska ekosystem producerar ett betydande koldioxidavtryck – och förbrukar 200 terawattimmar energi varje år, större än Irans årliga energiförbrukning. För att balansera ekologiska hänsyn men ändå möta den växande efterfrågan, framsteg inom mikroelektroniska processorer – ryggraden i många Internet of Things (IoT)-enheter och datahubbar – måste vara effektiva och miljövänliga.

Materialforskare vid Northwestern University har utvecklat nya designprinciper som kan hjälpa till att stimulera utvecklingen av framtida kvantmaterial som används för att utveckla (IoT) enheter och andra resurskrävande teknologier samtidigt som de begränsar ekologisk skada.

"Nya banbrytande material och datorparadigm krävs för att göra datacenter mer energisnåla i framtiden, sa James Rondinelli, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och Morris E. Fine professor i material och tillverkning vid McCormick School of Engineering, som ledde forskningen.

Studien markerar ett viktigt steg i Rondinellis ansträngningar att skapa nya material som är icke-flyktiga, energieffektiva, och generera mindre värme – viktiga aspekter av framtida ultrasnabb, lågeffektselektronik och kvantdatorer som kan hjälpa till att möta världens växande efterfrågan på data.

Istället för att vissa klasser av halvledare använder elektronens laddning i transistorer för att driva beräkningar, solid-state spin-baserade material utnyttjar elektronens spinn och har potential att stödja lågenergiminnen. Särskilt, material med en högkvalitativ persistent spin-textur (PST) kan uppvisa en långlivad persistent spin helix (PSH), som kan användas för att spåra eller styra den spin-baserade informationen i en transistor.

Även om många spinnbaserade material redan kodar information med hjälp av spins, den informationen kan förvanskas när snurren fortplantar sig i den aktiva delen av transistorn. Forskarnas roman PST skyddar den spinninformationen i spiralform, vilket gör det till en potentiell plattform där ultralåg energi och ultrasnabb spin-baserad logik och minnesenheter fungerar.

Forskargruppen använde kvantmekaniska modeller och beräkningsmetoder för att utveckla ett ramverk för att identifiera och bedöma spinntexturerna i en grupp av icke-centrosymmetriska kristallina material. Förmågan att kontrollera och optimera spinnlivslängderna och transportegenskaperna i dessa material är avgörande för att förverkliga framtiden för kvantmikroelektroniska enheter som arbetar med låg energiförbrukning.

"Den begränsande egenskapen hos spinnbaserad datoranvändning är svårigheten att uppnå både långlivade och fullt kontrollerbara spins från konventionella halvledar- och magnetiska material, "Vår studie kommer att hjälpa framtida teoretiska och experimentella ansträngningar som syftar till att kontrollera spinn i annars icke-magnetiska material för att möta framtida skalning och ekonomiska krav."

Rondinellis ramverk använde mikroskopiska effektiva modeller och gruppteori för att identifiera tre materialdesignkriterier som skulle producera användbara spinntexturer:bärardensitet, antalet elektroner som fortplantar sig genom ett effektivt magnetfält, Rashba anisotropi, förhållandet mellan inre spin-omloppskopplingsparametrar för materialen, och momentum rymdockupation, PST-regionen som är aktiv i den elektroniska bandstrukturen. Dessa egenskaper utvärderades sedan med hjälp av kvantmekaniska simuleringar för att upptäcka högpresterande PSH i en rad oxidbaserade material.

Forskarna använde dessa principer och numeriska lösningar på en serie differentiella spin-diffusionsekvationer för att bedöma spinnstrukturen för varje material och förutsäga spinnlivslängderna för helixen i den starka spin-omloppskopplingsgränsen. De fann också att de kunde justera och förbättra PST-prestandan med hjälp av atomära distorsioner på pikoskala. Gruppen bestämde ett optimalt PST-material, Sr3Hf2O7, som visade en väsentligt längre spin-livslängd för helixen än i något tidigare rapporterat material.

"Vårt tillvägagångssätt ger en unik kemi-agnostisk strategi för att upptäcka, identifiera, och bedöma symmetriskyddade ihållande spinntexturer i kvantmaterial med hjälp av inneboende och yttre kriterier, ", sa Rondinelli. "Vi föreslog ett sätt att utöka antalet rymdgrupper som är värd för en PST, som kan fungera som en reservoar för att designa framtida PST-material, och hittade ännu en användning för ferroelektriska oxider - föreningar med en spontan elektrisk polarisation. Vårt arbete kommer också att hjälpa till att vägleda experimentella ansträngningar som syftar till att implementera materialen i verkliga enhetsstrukturer."

Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Upptäcktsprinciper och material för symmetriskyddade ihållande spinnstrukturer med långa spinnlivslängder, " publicerades online den 18 september i tidskriften Materia .