Experimentella datorminnen och processorer byggda av magnetiska material använder mycket mindre energi än traditionella kiselbaserade enheter. Tvådimensionella magnetiska material, sammansatta av lager som bara är ett fåtal atomer tjocka, har otroliga egenskaper som kan tillåta magnetbaserade enheter att uppnå oöverträffad hastighet, effektivitet och skalbarhet.
Även om många hinder måste övervinnas tills dessa så kallade magnetiska van der Waals-material kan integreras i fungerande datorer, tog MIT-forskare ett viktigt steg i denna riktning genom att demonstrera exakt kontroll av en van der Waals-magnet vid rumstemperatur.
Detta är nyckeln, eftersom magneter som består av atomärt tunna van der Waals-material vanligtvis bara kan kontrolleras vid extremt kalla temperaturer, vilket gör dem svåra att använda utanför ett laboratorium.
Forskarna använde pulser av elektrisk ström för att ändra riktningen för enhetens magnetisering vid rumstemperatur. Magnetisk växling kan användas vid beräkning, på samma sätt som en transistor växlar mellan öppen och stängd för att representera nollor och 1:or i binär kod, eller i datorminne, där omkoppling möjliggör datalagring. Forskningen publiceras i Nature Communications .
Teamet avfyrade elektronskurar mot en magnet gjord av ett nytt material som kan upprätthålla sin magnetism vid högre temperaturer. Experimentet utnyttjade en grundläggande egenskap hos elektroner som kallas spinn, vilket gör att elektronerna beter sig som små magneter. Genom att manipulera rotationen av elektroner som träffar enheten kan forskarna ändra dess magnetisering.
"Heterostrukturenheten vi har utvecklat kräver en storleksordning lägre elektrisk ström för att byta van der Waals-magneten, jämfört med den som krävs för bulkmagnetiska enheter", säger Deblina Sarkar, AT&T Career Development Assistant Professor vid MIT Media Lab and Center för Neurobiological Engineering, chef för Nano-Cybernetic Biotrek Lab, och senior författare till en artikel om denna teknik. "Vår enhet är också mer energieffektiv än andra van der Waals-magneter som inte kan växla vid rumstemperatur."
I framtiden skulle en sådan magnet kunna användas för att bygga snabbare datorer som förbrukar mindre el. Det kan också möjliggöra magnetiska datorminnen som är icke-flyktiga, vilket innebär att de inte läcker information när de stängs av, eller processorer som gör komplexa AI-algoritmer mer energieffektiva.
"Det finns en hel del tröghet kring att försöka förbättra material som fungerade bra tidigare. Men vi har visat att om du gör radikala förändringar, och börjar med att tänka om de material du använder, kan du potentiellt få mycket bättre lösningar", säger Shivam Kajale, doktorand i Sarkars labb och medförfattare till tidningen.
Metoder för att tillverka små datorchips i ett rent rum från bulkmaterial som kisel kan hindra enheter. Till exempel kan materialskikten vara knappt 1 nanometer tjocka, så små grova fläckar på ytan kan vara tillräckligt allvarliga för att försämra prestandan.
Däremot är magnetiska material från van der Waals i sig skiktade och strukturerade på ett sådant sätt att ytan förblir perfekt slät, även när forskare skalar av lager för att göra tunnare enheter. Dessutom kommer atomer i ett lager inte att läcka in i andra lager, vilket gör att materialen kan behålla sina unika egenskaper när de staplas i enheter.
"När det gäller skalning och göra dessa magnetiska enheter konkurrenskraftiga för kommersiella tillämpningar är van der Waals-material vägen att gå", säger Kajale.
Men det finns en hake. Denna nya klass av magnetiska material har vanligtvis endast använts vid temperaturer under 60 Kelvin (-351 grader Fahrenheit). För att bygga en magnetisk datorprocessor eller minne måste forskare använda elektrisk ström för att driva magneten i rumstemperatur.
För att uppnå detta fokuserade teamet på ett framväxande material som kallas järngalliumtellurid. Detta atomärt tunna material har alla egenskaper som behövs för effektiv rumstemperaturmagnetism och innehåller inte sällsynta jordartsmetaller, vilket är oönskat eftersom utvinning av dem är särskilt destruktivt för miljön.
Nguyen odlade försiktigt bulkkristaller av detta 2D-material med hjälp av en speciell teknik. Sedan tillverkade Kajale en tvålagers magnetisk enhet med nanoskala flingor av järn galliumtellurid under ett sex nanometer lager av platina.
En liten enhet i handen använde en inneboende egenskap hos elektroner som kallas spin för att ändra dess magnetisering vid rumstemperatur.
Även om elektroner inte tekniskt "snurrar" som en topp, har de samma typ av rörelsemängd. Det snurret har en riktning, antingen uppåt eller nedåt. Forskarna kan utnyttja en egenskap som kallas spin-orbit-koppling för att kontrollera spinn av elektroner som de avfyrar mot magneten.
På samma sätt som momentum överförs när en boll träffar en annan, kommer elektroner att överföra sin "snurrmomentum" till det 2D-magnetiska materialet när de träffar den. Beroende på riktningen av deras snurr, kan den momentumöverföringen vända magnetiseringen.
På sätt och vis roterar denna överföring magnetiseringen från upp till ned (eller vice versa), så det kallas ett "vridmoment", som vid vridmomentomkoppling i spin-omloppsbana. Att applicera en negativ elektrisk puls får magnetiseringen att gå nedåt, medan en positiv puls får den att gå uppåt.
Forskarna kan göra detta växling vid rumstemperatur av två skäl:de speciella egenskaperna hos järn galliumtellurid och det faktum att deras teknik använder små mängder elektrisk ström. Att pumpa in för mycket ström i enheten skulle göra att den överhettas och avmagnetiseras.
Teamet ställdes inför många utmaningar under de två åren det tog att uppnå denna milstolpe, säger Kajale. Att hitta rätt magnetiskt material var bara halva striden. Eftersom järn galliumtellurid oxiderar snabbt måste tillverkningen göras i ett handskfack fyllt med kväve.
"Enheten utsätts bara för luft i 10 eller 15 sekunder, men även efter det måste jag göra ett steg där jag polerar den för att ta bort eventuell oxid", säger han.
Nu när de har visat rumstemperaturväxling och högre energieffektivitet planerar forskarna att fortsätta att driva prestandan hos magnetiska van der Waals-material.
"Vår nästa milstolpe är att uppnå växling utan behov av några externa magnetfält. Vårt mål är att förbättra vår teknologi och skala upp för att ta med van der Waals-magnetens mångsidighet till kommersiella tillämpningar," säger Sarkar.
Mer information: Shivam N. Kajale et al, Ströminducerad omkoppling av en van der Waals ferromagnet vid rumstemperatur, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45586-4
Journalinformation: Nature Communications
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.
