Egenskapen som får lysrör att surra kan driva en ny generation av mer effektiva datorenheter som lagrar data med magnetfält, snarare än el.

Ett team ledd av forskare från University of Michigan har utvecklat ett material som är minst dubbelt så "magnetostriktivt" och mycket billigare än andra material i sin klass. Förutom datorer, det skulle också kunna leda till bättre magnetiska sensorer för medicinsk utrustning och säkerhetsutrustning.

Magnetostriktion, som orsakar surret från lysrör och elektriska transformatorer, uppstår när ett materials form och magnetfält är sammanlänkade – dvs. en förändring i form orsakar en förändring av magnetfältet. Fastigheten kan vara nyckeln till en ny generation datorenheter som kallas magnetoelektrik.

Magnetoelektriska chips kan göra allt från massiva datacenter till mobiltelefoner mycket mer energieffektiva, minska elbehovet för världens datorinfrastruktur.

Tillverkad av en kombination av järn och gallium, materialet är detaljerat i en tidning publicerad 12 maj i Naturkommunikation . Teamet leds av U-M materialvetenskap och ingenjörsprofessor John Heron och inkluderar forskare från Intel; Cornell University; University of California, Berkeley; University of Wisconsin; Purdue University och på andra håll.

Magnetoelektriska enheter använder magnetfält istället för elektricitet för att lagra digitala ettor och nollor av binära data. Små pulser av elektricitet får dem att expandera eller dra ihop sig något, vända sitt magnetfält från positivt till negativt eller vice versa. Eftersom de inte kräver en jämn ström av el, som dagens marker gör, de använder en bråkdel av energin.

"En nyckel för att få magnetoelektriska enheter att fungera är att hitta material vars elektriska och magnetiska egenskaper är kopplade." sa Heron. "Och mer magnetostriktion betyder att ett chip kan göra samma jobb med mindre energi."

Billigare magnetoelektriska enheter med en tiofaldig förbättring

De flesta av dagens magnetostriktiva material använder sällsynta jordartsmetaller, som är för knappa och kostsamma för att användas i de mängder som behövs för datorenheter. Men Herons team har hittat ett sätt att få höga nivåer av magnetostriktion från billigt järn och gallium.

Vanligtvis, förklarar Heron, magnetostriktionen för järn-galliumlegering ökar när mer gallium tillsätts. Men dessa ökningar planar ut och börjar så småningom falla när de högre mängderna gallium börjar bilda en ordnad atomstruktur.

Så forskargruppen använde en process som kallas lågtemperaturmolekylär strålepitaxi för att i huvudsak frysa atomer på plats, hindra dem från att bilda en ordnad struktur när mer gallium tillsattes. Den här vägen, Heron och hans team kunde fördubbla mängden gallium i materialet, ger en tiofaldig ökning av magnetostriktion jämfört med omodifierade järn-galliumlegeringar.

"Lågtemperatur molekylär strålepitaxi är en extremt användbar teknik - det är lite som att spraymåla med individuella atomer, "Och att "sprutmåla" materialet på en yta som deformeras något när en spänning appliceras gjorde det också enkelt att testa dess magnetostriktiva egenskaper."

Forskare arbetar med Intels MESO-program

De magnetoelektriska enheterna som gjordes i studien är flera mikrometer stora - stora enligt beräkningsstandarder. Men forskarna arbetar med Intel för att hitta sätt att krympa dem till en mer användbar storlek som kommer att vara kompatibel med företagets magnetoelektriska spin-orbit device (eller MESO) program, vars ett mål är att driva in magnetoelektriska enheter i mainstream.

"Intel är bra på att skala saker och på muttrarna och skruvarna för att få en teknik att faktiskt fungera i den superliten skalan av ett datorchip, " Sa Heron. "De är mycket investerade i det här projektet och vi träffar dem regelbundet för att få feedback och idéer om hur man kan utöka denna teknik för att göra den användbar i de datorchips som de kallar MESO."

Medan en enhet som använder materialet sannolikt är decennier bort, Herons labb har ansökt om patentskydd genom UM Office of Technology Transfer.

Uppsatsen har titeln "Enginering av nya gränser för magnetostriktion genom metastabilitet i järn-galliumlegeringar."