Van roest tot rijkdom: computers worden groen – of is dat bruin?

De huidige op silicium gebaseerde computertechnologie is energie-inefficiënt. Informatie- en communicatietechnologie gebruikt naar verwachting meer dan 20% van de wereldwijde elektriciteitsproductie in 2030. Het vinden van manieren om de technologie koolstofarm te maken is dus een duidelijk doel voor energiebesparing. Professor Paolo Radaelli van de afdeling natuurkunde van Oxford heeft in samenwerking met Diamond Light Source, de nationale synchrotron van het VK, het onderzoek geleid naar efficiëntere alternatieven voor silicium. De verrassende bevindingen van zijn groep zijn gepubliceerd in Natuur in een artikel met de titel “Antiferromagnetische half-skyrmions en bimeronen bij kamertemperatuur.” Sommige van de antiferromagnetische texturen die ze hebben gevonden, kunnen bij kamertemperatuur naar voren komen als de belangrijkste kandidaten voor antiferromagnetische spintronica met lage energie.

Onderzoekers werken al lang aan alternatieve technologieën voor silicium. Oxiden van gewone metalen zoals ijzer en koper zijn natuurlijke doelwitten omdat ze al een technologisch hoofdbestanddeel zijn, aanwezig in op silicium gebaseerde computers, wat betekent dat er een grote kans is op compatibiliteit tussen de twee technologieën. Hoewel oxiden geweldig zijn voor het opslaan van informatie, zijn ze niet goed in het verplaatsen van informatie – een noodzaak voor berekeningen. Een eigenschap van oxiden die naar voren is gekomen, is echter dat vele magnetisch zijn, wat betekent dat het mogelijk zou kunnen zijn om magnetische bits te verplaatsen, zowel in oxiden als in andere magneten, met zeer weinig benodigde energie.

Professor Radaelli zegt: “De soorten bits waar we het over hebben, moeten heel klein zijn – 10 nanometer is het typische doelgetal – en moeten robuust zijn, zelfs als ze ‘worden geschud en geroerd’. Dit is een grote uitdaging, omdat het risico dat ze gewoon weggespoeld worden erg groot is als het bit zo klein is. Een mogelijke oplossing kwam uit de meest onwaarschijnlijke richtingen: een merkwaardige parallel tussen vaste-stoffysica en kosmologie. In feite werd de inspiratie voor dit project gelegd in de vorm van een uitdaging: kunnen we kosmische snaren repliceren in een magneet? ”

Essentieel voor het krijgen van antwoorden was dat de teams de Nanoscience-bundellijn van Diamond en de PhotoEmission Electron Microscope (PEEM) gebruikten. Het combineert een hoge ruimtelijke resolutie met een hoge fluxdichtheid om nanostructuren op nanometerschalen op te lossen. Via de PEEM kan de Nanoscience-bundellijn nanodeeltjes met een diameter van minder dan 20 nm oplossen met behulp van gepolariseerde zachte röntgenstralen.

Kosmische snaren worden verondersteld filamenten in de ruimte te zijn, veel dunner dan een atoom, maar potentieel net zo lang als de afstand tussen sterren. Bepaalde kosmologische theorieën voorspellen dat ze zich hadden kunnen vormen in de ogenblikken na de oerknal toen het universum snel aan het afkoelen was. Hoewel onderzoekers nog steeds debatteren of ze bestaan, suggereert één theorie dat als ze eenmaal gevormd zijn, kosmische snaren stabiel zouden zijn en niet zouden “verdampen”, zodat astronomen ze misschien in de toekomst kunnen ontdekken. De relevantie van kosmische snaren en computers is dat de wiskundige beschrijving van kosmische snaren vrij eenvoudig is. Dezelfde soort wiskundige voorwaarden die de vorming van snaren bevorderen, kunnen in veel andere fysieke systemen worden aangetroffen, waaronder magneten.

Professor Radaelli zegt: “Het is de schoonheid van de natuurkunde: wiskundige vergelijkingen die de ‘macrokosmos’ op parsec-schalen beschrijven, werken mogelijk ook in de microkosmos op nanometerschalen. Met de set van de uitdaging hoefde alleen nog maar een geschikte magneet te vinden. nogmaals, de kandidaat bleek hoogst onwaarschijnlijk: gewone roest. ”

IJzeroxide (chemische formule Fe₂O₃) is een hoofdbestanddeel van roest. Elk ijzeratoom fungeert als een klein kompas, maar deze specifieke vorm van Fe₂O₃ is niet magnetisch in de gewone betekenis van het aantrekken en aangetrokken worden door andere magneten: het is een antiferromagneet, zodat de helft van de Fe-kompassen naar het noorden wijst en de andere helft naar het zuiden.

Twee jaar geleden ontdekte Radaelli’s Oxford-groep, die bij Diamond werkte aan monsters die waren geproduceerd aan de Universiteit van Wisconsin, Madison, het magnetische equivalent van kosmische snaren in Fe₂O₃, en nam ze in beeld met een krachtige röntgenmicroscoop. Deze kleine objecten, bekend als meronen, zijn magnetische wervelingen waarin de kompasnaald roteert (NESW of NWSE) terwijl men van het ene atoom naar het andere beweegt in een lus op nanometerschaal.

“Achteraf gezien was het vinden van magnetische meronen een enorme meevaller, aangezien we weten dat ze erg moeilijk te stabiliseren zijn in de omstandigheden die voor dat eerste experiment werden gebruikt. Voor het vandaag gepubliceerde artikel hebben we onze samenwerking uitgebreid met de National University of Singapore en slaagde erin de sleutel te vinden om naar believen magnetische meronen te creëren en te vernietigen, gebruik makend van het wiskundige equivalent van de “Big Bang-koeling”, voegt Radaelli eraan toe.

Het team denkt dat er goede vooruitzichten zijn om ‘roest’ te gebruiken om superefficiënte computers te maken. Dit komt omdat, hoewel heel eenvoudig in architectuur, de Fe₂O₃-gebaseerd apparaat waar meronen en bimeronen werden gevonden, bevat al alle ingrediënten om deze kleine stukjes snel en efficiënt te manipuleren – door een kleine elektrische stroom in een extreem dunne metalen ‘overjas’ te laten stromen. ” In feite, volgens het team, controleren en observeren de beweging van meronen en bimeronen in realtime is het doel van een toekomstig röntgenmicroscopie-experiment dat zich momenteel in de planningsfase bevindt.

De overgang van fundamenteel naar toegepast onderzoek betekent dat overwegingen met betrekking tot kosten en compatibiliteit van het grootste belang zijn. Hoewel ijzeroxide buitengewoon overvloedig en goedkoop is, zijn de fabricagetechnieken die worden gebruikt door onderzoekers in Singapore en Madison complex en vereisen controle op atomaire schaal. De onderzoekers zijn echter optimistisch, omdat ze onlangs hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​dun laagje oxide van het groeimedium af te pellen en bijna overal te plakken, terwijl de eigenschappen grotendeels onaangetast blijven. Ze zeggen dat hun volgende stappen het ontwerp en de fabricage zijn van proof-of-principle-apparaten op basis van kosmische snaren.