(Phys.org) – Forskare vid UCLA har skapat en magnetisk komponent i nanoskala för datorminneschips som avsevärt kan förbättra deras energieffektivitet och skalbarhet.

Designen för en ny och mycket eftertraktad typ av magnetiskt minne ett steg närmare att användas i datorer, mobil elektronik som smarta telefoner och surfplattor, samt stora datorsystem för big data. Den innovativa asymmetriska strukturen gör att den bättre kan utnyttja elektronernas spinn- och orbitala egenskaper, vilket gör den mycket mer energieffektiv än dagens datorminne.

"Detta arbete kommer sannolikt att ge ett kraftfullt tillvägagångssätt för att konstruera nya nanoelektroniska enheter och system, " sa Kang Wang, Raytheon professor i elektroteknik vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science och studiens huvudutredare. "I samband med relaterade typer av magnetiska enheter som studeras av vårt team, det representerar en fantastisk möjlighet att realisera minne och logik med högre prestanda för framtida direkt och energieffektiv, gröna elektroniska system."

Forskningen publicerades 11 maj i Naturens nanoteknik .

Enheter som använder spin-baserad elektronik, eller "spintronics, " förbrukar mindre energi än konventionell elektronik genom att använda elektronernas snurr snarare än deras laddning. Ett hett forskningsområde inom spintronik är att minska behovet av elektrisk ström genom att använda både elektronernas spinn och orbitala egenskaper, även kallat "snurr-omloppsmoment".

Spintronics-baserade datorchips använder magnetiska material för ökad energieffektivitet. Processen som gör att datorminne kan skrivas – eller beräkningsfunktioner utföras – utlöses när elektrisk ström "växlar" polariteten hos ett intilliggande magnetiskt material. I befintliga vridmomentanordningar med rotationsbana, denna process kräver vanligtvis ett intilliggande magnetfält för att fullständigt slutföra omkopplingen.

Strukturen som utformats vid UCLA eliminerar behovet av ett intilliggande magnetfält. Forskarna skapade istället ett effektivt magnetfält genom att variera strukturens vinkel med bara några atomer, i en form som liknar en ostklyfta:tjockare i ena änden och sluttande nedåt till en tunnare kant i andra änden. Även om höjdskillnaden mellan de två ändarna bara är några tiondels nanometer – eller några miljarddels meter – över längden på varje enhet, den nya konfigurationen genererar ett betydande extra vridmoment i rotationsbanan, som potentiellt skulle kunna använda en hundradel av mängden energi som används av chipsen i dagens hemelektronik.

Forskarna observerade den magnetfältsfria omkopplingseffekten i flera experiment, men mekanismen som gör att den asymmetriska geometrin kan förbättra magnetomkoppling är fortfarande under utredning.

"Detta är ett lovande första steg, erbjuder en potentiell väg för att konstruera nya spin-orbit vridmomentminnesceller, samtidigt som de erbjuder nya insikter i deras fysik, " sa Pedram Khalili, studiens medansvarige utredare och en biträdande adjungerad professor i elektroteknik. "Ytterligare arbete behövs för att utveckla en mer detaljerad mikroskopisk förståelse av de nya observationerna och ytterligare utvärdera deras tillämpning och skalningspotential."