Föreställ dig en framtid där datorer kan lära sig och fatta beslut på sätt som efterliknar mänskligt tänkande, men med en hastighet och effektivitet som är storleksordningar större än datorernas nuvarande kapacitet.
Ett forskarlag vid University of Wyoming har skapat en innovativ metod för att kontrollera små magnetiska tillstånd i ultratunna, tvådimensionella (2D) van der Waals-magneter – en process som liknar hur en glödlampa styrs genom att vrida en ljusströmbrytare.
"Vår upptäckt kan leda till avancerade minnesenheter som lagrar mer data och förbrukar mindre ström eller möjliggör utveckling av helt nya typer av datorer som snabbt kan lösa problem som för närvarande är svårhanterliga", säger Jifa Tian, biträdande professor vid UW Department of Fysik och astronomi och tillfällig chef för UW:s Center for Quantum Information Science and Engineering.
Tian är motsvarande författare till en artikel med titeln "Tunnling av strömkontrollerade spinntillstånd i fålagers van der Waals-magneter", publicerad i Nature Communications .
Van der Waals-material består av starkt bundna 2D-lager som är bundna i den tredje dimensionen genom svagare van der Waals-krafter. Till exempel är grafit ett van der Waals-material som används flitigt inom industrin i elektroder, smörjmedel, fibrer, värmeväxlare och batterier. Naturen hos van der Waals krafter mellan lagren gör det möjligt för forskare att använda tejp för att skala lagren till atomtjocklek.
Teamet utvecklade en enhet känd som en magnetisk tunnelövergång, som använder kromtrijodid - en isolerande 2D-magnet som bara är några få atomer tjock - inklämd mellan två lager av grafen. Genom att skicka en liten elektrisk ström – kallad en tunnelström – genom denna sandwich, kan riktningen för magnetens orientering av de magnetiska domänerna (cirka 100 nanometer i storlek) dikteras inom de individuella kromtrijodidskikten, säger Tian.
Specifikt, "denna tunnelström kan inte bara styra växlingsriktningen mellan två stabila spinntillstånd, utan inducerar och manipulerar också växling mellan metastabila spinntillstånd, kallad stokastisk växling", säger ZhuangEn Fu, doktorand i Tians forskningslabb och nu postdoktor. stipendiat vid University of Maryland.
"Det här genombrottet är inte bara spännande, det är mycket praktiskt. Det förbrukar tre storleksordningar mindre energi än traditionella metoder, liknande att byta ut en gammal glödlampa mot en LED, vilket markerar den som en potentiell spelväxlare för framtida teknik", säger Tian. "Vår forskning kan leda till utvecklingen av nya datorenheter som är snabbare, mindre och mer energieffektiva och kraftfulla än någonsin tidigare. Vår forskning markerar ett betydande framsteg inom magnetism vid 2D-gränsen och sätter scenen för nya, kraftfulla datorplattformar , såsom sannolikhetsdatorer."
Traditionella datorer använder bitar för att lagra information som 0:or och 1:or. Denna binära kod är grunden för alla klassiska datorprocesser. Kvantdatorer använder kvantbitar som kan representera både "0" och "1" samtidigt, vilket ökar processorkraften exponentiellt.
"I vårt arbete har vi utvecklat vad du kan tänka dig som en probabilistisk bit, som kan växla mellan "0" och "1" (två spinntillstånd) baserat på tunnelströmskontrollerade sannolikheter, säger Tian. "Dessa bitar är baserade på de unika egenskaperna hos ultratunna 2D-magneter och kan länkas samman på ett sätt som liknar neuroner i hjärnan för att bilda en ny typ av dator, känd som en probabilistisk dator."
"Det som gör dessa nya datorer potentiellt revolutionerande är deras förmåga att hantera uppgifter som är otroligt utmanande för traditionella och till och med kvantdatorer, såsom vissa typer av komplexa maskininlärningsuppgifter och databehandlingsproblem", fortsätter Tian. "De är naturligt toleranta mot fel, enkla i design och tar mindre plats, vilket kan leda till effektivare och kraftfullare datorteknik."
Hua Chen, docent i fysik vid Colorado State University, och Allan MacDonald, professor i fysik vid University of Texas-Austin, samarbetade för att utveckla en teoretisk modell som belyser hur tunnelströmmar påverkar spinntillstånd i 2D-magnetiska tunnelövergångar. Andra bidragsgivare var från Penn State University, Northeastern University och National Institute for Materials Science i Namiki, Tsukuba, Japan.
Mer information: ZhuangEn Fu et al, Tunnelering av strömkontrollerade spinntillstånd i fålagers van der Waals-magneter, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47820-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Wyoming
