Tým výzkumníků z MIT se zabýval významnými překážkami praktické aplikace 2D magnetických materiálů. Tato inovace umožní vývoj nové generace energeticky účinných počítačů. Tým dosáhl pozoruhodného průlomu vyvinutím zařízení „van der Waals atomově vrstvené heterostruktury“. Zařízení spojuje dva 2D materiály: wolfram ditellurid a železo gallium tellurid, 2D van der Waals magnet.
Zařízení navíc umožňuje robustní přepínání magnetizace autonomně, čímž eliminuje požadavek na vnější magnetické pole. Tento průlom slibuje průlomové vyhlídky pro ultranízkoenergetická a ekologická výpočetní řešení, zejména v oblasti velkých dat a umělé inteligence.
Potřeba energeticky úsporných zařízení
Díky umělé inteligenci roste potřeba výpočtů v celosvětovém měřítku dosud nevídaným tempem. V důsledku toho ohromující spotřeba energie globální počítačové infrastruktury vyvolala vážné obavy. Jednou z hlavních výzev vědy je vytvořit energeticky účinnější výpočetní zařízení.
Začlenění magnetických materiálů do paměti a procesorů nabízí schůdnou cestu k vytvoření počítačů „za hranicí CMOS“. Tyto systémy mají potenciál výrazně snížit spotřebu energie ve srovnání s tradičními počítači. Tranzistory se používají k reprezentaci 0s a 1s binárního kódu přepínáním mezi otevřeným a uzavřeným stavem. Podle výzkumníků by magnetizační přepínání mohlo být alternativou k tranzistorům. Dvourozměrné van der Waalsovy magnety mají vynikající vlastnosti, zvyšují škálovatelnost a energetickou účinnost v magnetických zařízeních. To je potenciálně činí komerčně životaschopnými navzdory převládajícímu výzkumu sypkých materiálů.
Postupující spin Hallův efekt
Spin Hallův jev je proces, při kterém se elektrony v těžkých kovech, jako je tantal nebo platina, oddělují podle jejich spinových složek, když jimi prochází elektrický proud. Tento proces segregace je materiálově specifický, zejména pokud jde o symetrie.
“Přeměna elektrického proudu na rotační proudy v těžkých kovech leží v srdci elektrického ovládání magnetů,” řekl Shivam Kajale, postgraduální student zapojený do projektu, v prohlášení.
Běžně používané materiály, jako je platina, mají ve své mikroskopické struktuře formu zrcadlové symetrie. Tato symetrie omezuje spinové proudy pouze na spinovou polarizaci v rovině. Podle výzkumníků musí být porušeny dvě zrcadlové symetrie, aby se vytvořila součást rotace „mimo rovinu“, která se může přenést do magnetického pole a způsobit přepínání bez pole.
„Elektrický proud může ‚rozbít‘ zrcadlovou symetrii podél jedné roviny v platině, ale jeho krystalová struktura brání porušení symetrie zrcadla ve druhé rovině,“ řekl Kajale.
Dříve se výzkumníci při svých experimentech spoléhali na malé magnetické pole, které narušilo druhou zrcadlovou rovinu. Aby tým eliminoval tuto potřebu, hledal ditellurid wolframu, materiál s vlastními strukturálními vlastnostmi schopnými nezávisle rozbít druhou zrcadlovou rovinu.
“Protože je to také 2D van der Waals materiál, může také zajistit, že když složíme dva materiály dohromady, získáme nedotčená rozhraní a dobrý tok elektronových spinů mezi materiály,” vysvětlil Kajale.
Zvýšení magnetické účinnosti
Magnetická paměť a procesory spotřebují méně energie než zařízení na bázi křemíku. To je částečně způsobeno van der Waalsovými magnety, které nabízejí vynikající energetickou účinnost a škálovatelnost.
Nižší hustota elektrického proudu potřebná pro přepínání magnetů ukazuje na vyšší energetickou účinnost. “Nový design má jednu z nejnižších proudových hustot u van der Waalsových magnetických materiálů,” řekl Kajale.
Skupina v současné době zkoumá srovnatelné van der Waalsovy materiály s nízkou symetrií, aby určila možnost snížení proudové hustoty. Doufají také, že budou spolupracovat s dalšími výzkumníky, aby zjistili, jak vyrábět 2D magnetické spínače v komerčním měřítku.
