Globalt blomstrar beräkningar i en aldrig tidigare skådad takt, underblåst av artificiell intelligens. Med detta har den svindlande energiefterfrågan från världens datorinfrastruktur blivit ett stort problem, och utvecklingen av datorenheter som är mycket mer energieffektiva är en ledande utmaning för forskarvärlden.
Användning av magnetiska material för att bygga datorenheter som minnen och processorer har framstått som en lovande väg för att skapa "beyond-CMOS"-datorer, som skulle använda mycket mindre energi jämfört med traditionella datorer. Magnetiseringsväxling i magneter kan användas vid beräkning på samma sätt som en transistor växlar från öppen eller stängd för att representera 0:or och 1:or för binär kod.
Även om mycket av forskningen i denna riktning har fokuserat på att använda bulkmagnetiska material, ger en ny klass av magnetiska material - kallade tvådimensionella van der Waals-magneter - överlägsna egenskaper som kan förbättra skalbarheten och energieffektiviteten hos magnetiska enheter för att göra dem kommersiellt lönsamt.
Även om fördelarna med att byta till magnetiska 2D-material är uppenbara, har deras praktiska introduktion i datorer hindrats av några grundläggande utmaningar. Fram till nyligen kunde 2D-magnetiska material endast fungera vid mycket låga temperaturer, ungefär som supraledare. Så att få deras driftstemperaturer över rumstemperatur har förblivit ett primärt mål. För användning i datorer är det dessutom viktigt att de kan styras elektriskt, utan behov av magnetfält.
Att överbrygga detta grundläggande gap, där 2D-magnetiska material kan växlas elektriskt över rumstemperatur utan några magnetiska fält, skulle potentiellt kunna katapultera översättningen av 2D-magneter till nästa generation av "gröna" datorer.
Ett team av MIT-forskare har nu uppnått denna kritiska milstolpe genom att designa en "van der Waals atomiskt skiktad heterostruktur"-enhet där en 2D van der Waals-magnet, järngalliumtellurid, är kopplad till ett annat 2D-material, volframditellurid. I en öppen artikel publicerad i Science Advances , visar teamet att magneten kan växlas mellan 0 och 1-tillstånden helt enkelt genom att applicera pulser av elektrisk ström över deras tvålagersenhet.
"Vår enhet möjliggör robust magnetiseringsväxling utan behov av ett externt magnetfält, vilket öppnar upp för oöverträffade möjligheter för ultralåg effekt och miljömässigt hållbar datorteknik för big data och AI", säger huvudförfattaren Deblina Sarkar, AT&T Career Development Assistant Professor vid MIT Media Lab och Center for Neurobiological Engineering, och chef för forskningsgruppen Nano-Cybernetic Biotrek. "Dessutom ger den atomiskt skiktade strukturen hos vår enhet unika funktioner inklusive förbättrat gränssnitt och möjligheter för gatespänningsavstämning, såväl som flexibla och transparenta spintroniska teknologier."
Sarkar får sällskap på uppsatsen av första författaren Shivam Kajale, doktorand i Sarkars forskargrupp vid Media Lab; Thanh Nguyen, doktorand vid Institutionen för kärnvetenskap och teknik (NSE); Nguyen Tuan Hung, en MIT gästforskare i NSE och en biträdande professor vid Tohoku University i Japan; och Mingda Li, docent i NSE.
Att bryta spegelsymmetrierna
När elektrisk ström flyter genom tungmetaller som platina eller tantal segregeras elektronerna i materialen baserat på deras spinnkomponent, ett fenomen som kallas spin Hall-effekten, säger Kajale. Hur denna segregation sker beror på materialet, och särskilt dess symmetrier.
"Omvandlingen av elektrisk ström till spinnströmmar i tungmetaller ligger i hjärtat av att styra magneter elektriskt", konstaterar Kajale. "Den mikroskopiska strukturen hos konventionellt använda material, som platina, har en sorts spegelsymmetri, som begränsar spinnströmmarna endast till spinnpolarisering i planet."
Kajale förklarar att två spegelsymmetrier måste brytas för att producera en "utanför planet" spinnkomponent som kan överföras till ett magnetiskt lager för att inducera fältfri omkoppling. "Elektrisk ström kan 'bryta' spegelsymmetrin längs ett plan i platina, men dess kristallstruktur förhindrar att spegelsymmetrin bryts i ett andra plan."
I sina tidigare experiment använde forskarna ett litet magnetfält för att bryta det andra spegelplanet. För att bli av med behovet av en magnetisk knuff letade Kajale och Sarkar med kollegor istället efter ett material med en struktur som kunde bryta det andra spegelplanet utan hjälp utifrån. Detta ledde dem till ett annat 2D-material, volframditellurid.
Volframditelluriden som forskarna använde har en ortorombisk kristallstruktur. Själva materialet har ett trasigt spegelplan. Sålunda, genom att applicera ström längs dess lågsymmetriaxel (parallellt med det brutna spegelplanet), har den resulterande spinnströmmen en spinnkomponent utanför planet som direkt kan inducera omkoppling i den ultratunna magneten som är kopplad till volframditelluriden.
"Eftersom det också är ett 2D van der Waals-material kan det också säkerställa att när vi staplar de två materialen tillsammans får vi orörda gränssnitt och ett bra flöde av elektronsnurr mellan materialen", säger Kajale.
Datorminne och processorer byggda av magnetiska material använder mindre energi än traditionella kiselbaserade enheter. Och van der Waals-magneterna kan erbjuda högre energieffektivitet och bättre skalbarhet jämfört med bulkmagnetiskt material, konstaterar forskarna.
Den elektriska strömtätheten som används för att byta magneten översätts till hur mycket energi som försvinner under omkopplingen. En lägre densitet innebär ett mycket mer energieffektivt material.
"Den nya designen har en av de lägsta strömtätheterna i magnetiska material från van der Waals," säger Kajale. "Denna nya design har en storleksordning lägre i termer av kopplingsströmmen som krävs i bulkmaterial. Detta översätts till ungefär två storleksordningar förbättringar i energieffektivitet."
Forskargruppen tittar nu på liknande lågsymmetriska van der Waals-material för att se om de kan minska strömtätheten ytterligare. De hoppas också kunna samarbeta med andra forskare för att hitta sätt att tillverka 2D-magnetomkopplarenheter i kommersiell skala.
Mer information: Shivam N. Kajale et al, Fältfri deterministisk omkoppling av all–van der Waals spin-orbit vridmomentsystem över rumstemperatur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8669
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
