Onderzoekers gebruiken 2D-magnetische materialen voor energiezuinig computergebruik

Experimentele computergeheugens en processors die zijn opgebouwd uit magnetische materialen gebruiken veel minder energie dan traditionele op silicium gebaseerde apparaten. Tweedimensionale magnetische materialen, samengesteld uit lagen die slechts een paar atomen dik zijn, hebben ongelooflijke eigenschappen waardoor magnetische apparaten een ongekende snelheid, efficiëntie en schaalbaarheid kunnen bereiken.

Hoewel er veel hindernissen moeten worden overwonnen voordat deze zogenaamde van der Waals-magnetische materialen kunnen worden geïntegreerd in functionerende computers, hebben MIT-onderzoekers een belangrijke stap in deze richting gezet door de nauwkeurige controle van een van der Waals-magneet bij kamertemperatuur aan te tonen.

Dit is van cruciaal belang, omdat magneten die zijn samengesteld uit atomair dunne Van der Waals-materialen doorgaans alleen kunnen worden gecontroleerd bij extreem lage temperaturen, waardoor ze moeilijk buiten een laboratorium kunnen worden ingezet.

De onderzoekers gebruikten elektrische stroompulsen om de richting van de magnetisatie van het apparaat bij kamertemperatuur te veranderen. Magnetisch schakelen kan worden gebruikt bij berekeningen, op dezelfde manier waarop een transistor schakelt tussen open en gesloten om nullen en enen weer te geven in binaire code, of in computergeheugen, waar schakelen gegevensopslag mogelijk maakt. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Het team vuurde uitbarstingen van elektronen af ​​op een magneet gemaakt van een nieuw materiaal dat zijn magnetisme bij hogere temperaturen kan behouden. Het experiment maakte gebruik van een fundamentele eigenschap van elektronen die bekend staat als spin, waardoor de elektronen zich gedragen als kleine magneten. Door de spin van elektronen die het apparaat raken te manipuleren, kunnen de onderzoekers de magnetisatie ervan veranderen.

“Het heterostructuurapparaat dat we hebben ontwikkeld vereist een orde van grootte lagere elektrische stroom om de Van der Waals-magneet te schakelen, vergeleken met de stroom die nodig is voor magnetische bulkapparaten”, zegt Deblina Sarkar, assistent-professor bij AT&T Career Development bij het MIT Media Lab and Center voor Neurobiological Engineering, hoofd van het Nano-Cybernetic Biotrek Lab, en senior auteur van een artikel over deze techniek. “Ons apparaat is ook energiezuiniger dan andere Van der Waals-magneten die niet kunnen schakelen bij kamertemperatuur.”

In de toekomst zou zo’n magneet gebruikt kunnen worden om snellere computers te bouwen die minder elektriciteit verbruiken. Het zou ook magnetische computergeheugens mogelijk kunnen maken die niet-vluchtig zijn, wat betekent dat ze geen informatie lekken wanneer ze zijn uitgeschakeld, of processors die complexe AI-algoritmen energiezuiniger maken.

“Er is veel inertie rond het verbeteren van materialen die in het verleden goed werkten. Maar we hebben laten zien dat als je radicale veranderingen doorvoert, te beginnen door de materialen die je gebruikt te heroverwegen, je mogelijk veel betere oplossingen kunt krijgen”, zegt Shivam. Kajale, een afgestudeerde student in het laboratorium van Sarkar en co-hoofdauteur van het artikel.

Een atomair dun voordeel

Methoden om kleine computerchips in een schone ruimte te vervaardigen uit bulkmaterialen zoals silicium kunnen apparaten belemmeren. De materiaallagen zijn bijvoorbeeld nauwelijks 1 nanometer dik, dus minuscule ruwe plekken op het oppervlak kunnen ernstig genoeg zijn om de prestaties te verminderen.

De magnetische materialen van Van der Waals zijn daarentegen intrinsiek gelaagd en zodanig gestructureerd dat het oppervlak perfect glad blijft, zelfs als onderzoekers lagen afpellen om dunnere apparaten te maken. Bovendien lekken atomen in de ene laag niet naar andere lagen, waardoor de materialen hun unieke eigenschappen behouden wanneer ze in apparaten worden gestapeld.

“Als het gaat om het opschalen en concurrerend maken van deze magnetische apparaten voor commerciële toepassingen, zijn van der Waals-materialen de juiste keuze”, zegt Kajale.

Maar er zit een addertje onder het gras. Deze nieuwe klasse magnetische materialen wordt doorgaans alleen gebruikt bij temperaturen onder 60 Kelvin (-351 graden Fahrenheit). Om een ​​magnetische computerprocessor of geheugen te bouwen, moeten onderzoekers elektrische stroom gebruiken om de magneet bij kamertemperatuur te laten werken.

Om dit te bereiken concentreerde het team zich op een opkomend materiaal genaamd ijzergalliumtelluride. Dit atomair dunne materiaal heeft alle eigenschappen die nodig zijn voor effectief magnetisme bij kamertemperatuur en bevat geen zeldzame aardelementen, wat ongewenst is omdat het extraheren ervan bijzonder destructief is voor het milieu.

Nguyen kweekte zorgvuldig bulkkristallen van dit 2D-materiaal met behulp van een speciale techniek. Vervolgens vervaardigde Kajale een tweelaags magnetisch apparaat met behulp van vlokken ijzer-galliumtelluride op nanoschaal onder een laag platina van zes nanometer.

Met een klein apparaatje in de hand gebruikten ze een intrinsieke eigenschap van elektronen, bekend als spin, om de magnetisatie ervan bij kamertemperatuur te veranderen.

Elektronenpingpong

Hoewel elektronen technisch gezien niet als een tol ‘draaien’, bezitten ze wel hetzelfde soort impulsmoment. Die draaiing heeft een richting, omhoog of omlaag. De onderzoekers kunnen een eigenschap gebruiken die bekend staat als spin-orbit-koppeling om de spins van elektronen die ze op de magneet afvuren te controleren.

Op dezelfde manier waarop momentum wordt overgedragen wanneer de ene bal de andere raakt, zullen elektronen hun “spinmomentum” overbrengen naar het 2D-magnetische materiaal wanneer ze erop slaan. Afhankelijk van de richting van hun spins kan die momentumoverdracht de magnetisatie omkeren.

In zekere zin roteert deze overdracht de magnetisatie van boven naar beneden (of omgekeerd), dus wordt het een ‘koppel’ genoemd, zoals bij het schakelen van draai-baankoppel. Het toepassen van een negatieve elektrische puls zorgt ervoor dat de magnetisatie naar beneden gaat, terwijl een positieve puls ervoor zorgt dat deze naar boven gaat.

De onderzoekers kunnen dit schakelen bij kamertemperatuur doen om twee redenen: de bijzondere eigenschappen van ijzer-galliumtelluride en het feit dat hun techniek kleine hoeveelheden elektrische stroom gebruikt. Als u te veel stroom in het apparaat pompt, kan het oververhit raken en demagnetiseren.

Het team heeft in de twee jaar die nodig waren om deze mijlpaal te bereiken met veel uitdagingen te maken gehad, zegt Kajale. Het vinden van het juiste magnetische materiaal was slechts het halve werk. Omdat ijzer-galliumtelluride snel oxideert, moet de fabricage plaatsvinden in een handschoenenkastje gevuld met stikstof.

“Het apparaat wordt slechts 10 tot 15 seconden aan lucht blootgesteld, maar zelfs daarna moet ik een stap uitvoeren waarbij ik het polijst om eventuele oxiden te verwijderen”, zegt hij.

Nu ze het schakelen tussen kamertemperatuur en een grotere energie-efficiëntie hebben aangetoond, zijn de onderzoekers van plan de prestaties van magnetische van der Waals-materialen te blijven verbeteren.

“Onze volgende mijlpaal is het realiseren van een omschakeling zonder de noodzaak van externe magnetische velden. Ons doel is om onze technologie te verbeteren en op te schalen om de veelzijdigheid van de Van der Waals-magneet naar commerciële toepassingen te brengen”, zegt Sarkar.