Исследователи используют 2D-магнитные материалы для энергоэффективных вычислений | Новости Массачусетского технологического института

Экспериментальные компьютерные памяти и процессоры, построенные из магнитных материалов, потребляют гораздо меньше энергии, чем традиционные устройства на основе кремния. Двумерные магнитные материалы, состоящие из слоев толщиной всего в несколько атомов, обладают невероятными свойствами, которые могут позволить магнитным устройствам достичь беспрецедентной скорости, эффективности и масштабируемости.

Хотя необходимо преодолеть множество препятствий, прежде чем эти так называемые магнитные материалы Ван-дер-Ваальса можно будет интегрировать в работающие компьютеры, исследователи Массачусетского технологического института сделали важный шаг в этом направлении, продемонстрировав точное управление магнитом Ван-дер-Ваальса при комнатной температуре.

Это ключевой момент, поскольку магниты, состоящие из атомарно тонких материалов Ван-дер-Ваальса, обычно можно контролировать только при чрезвычайно низких температурах, что затрудняет их использование за пределами лаборатории.

Исследователи использовали импульсы электрического тока для переключения направления намагничивания устройства при комнатной температуре. Магнитное переключение можно использовать в вычислениях, так же, как транзистор переключается между открытым и закрытым состояниями для представления 0 и 1 в двоичном коде или в памяти компьютера, где переключение позволяет хранить данные.

Команда выпустила электроны в магнит, сделанный из нового материала, который может сохранять свои магнетизм при более высоких температурах. В эксперименте использовалось фундаментальное свойство электронов, известное как спин, которое заставляет электроны вести себя как крошечные магниты. Управляя вращением электронов, падающих на устройство, исследователи могут переключать его намагниченность.

«Разработанное нами гетероструктурное устройство требует на порядок меньшего электрического тока для переключения магнита Ван-дер-Ваальса по сравнению с тем, который требуется для объемных магнитных устройств», — говорит Деблина Саркар, доцент AT&T по развитию карьеры в Медиа-лаборатории и центре Массачусетского технологического института. за нейробиологическую инженерию, руководитель лаборатории нанокибернетической биотрека и старший автор статьи по этой методике. «Наше устройство также более энергоэффективно, чем другие магниты Ван-дер-Ваальса, которые не могут переключаться при комнатной температуре».

В будущем такой магнит можно будет использовать для создания более быстрых компьютеров, потребляющих меньше электроэнергии. Это также может позволить использовать магнитную компьютерную память, которая является энергонезависимой, что означает, что она не теряет информацию при выключении питания, или процессоры, которые сделают сложные алгоритмы искусственного интеллекта более энергоэффективными.

«Попытки улучшить материалы, которые хорошо себя зарекомендовали в прошлом, очень инерционны. Но мы показали, что если вы внесете радикальные изменения, начав с переосмысления используемых вами материалов, вы потенциально сможете получить гораздо лучшие решения», — говорит Шивам Каджале, аспирант лаборатории Саркара и соавтор статьи.

К Каяле и Саркару в работе присоединились соавтор Тан Нгуен, аспирант Департамента ядерной науки и техники (NSE); Корсон Чао, аспирант кафедры материаловедения и инженерии (DSME); Дэвид Боно, научный сотрудник DSME; Артиттая Бункирд, аспирантка НШЭ; и Минда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники. Исследование появится на этой неделе в Природные коммуникации.

Атомно тонкое преимущество

Методы изготовления крошечных компьютерных чипов в чистой комнате из сыпучих материалов, таких как кремний, могут затруднить работу устройств. Например, толщина слоев материала может составлять всего лишь 1 нанометр, поэтому мельчайшие неровности на поверхности могут оказаться достаточно серьезными, чтобы ухудшить производительность.

Напротив, магнитные материалы Ван-дер-Ваальса по своей сути являются многослойными и структурированы таким образом, что поверхность остается идеально гладкой, даже когда исследователи снимают слои, чтобы сделать более тонкие устройства. Кроме того, атомы одного слоя не просачиваются в другие слои, что позволяет материалам сохранять свои уникальные свойства при укладке в устройства.

«С точки зрения масштабирования и повышения конкурентоспособности этих магнитных устройств для коммерческого применения лучше всего использовать материалы Ван-дер-Ваальса», — говорит Каяле.

Но есть одна загвоздка. Этот новый класс магнитных материалов обычно эксплуатируется только при температуре ниже 60 Кельвинов (-351 градус по Фаренгейту). Чтобы создать магнитный компьютерный процессор или память, исследователям необходимо использовать электрический ток для работы магнита при комнатной температуре.

Чтобы добиться этого, команда сосредоточилась на новом материале под названием теллурид железа-галлия. Этот атомарно тонкий материал обладает всеми свойствами, необходимыми для эффективного магнетизма при комнатной температуре, и не содержит редкоземельных элементов, которые нежелательны, поскольку их извлечение особенно разрушительно для окружающей среды.

Нгуен тщательно вырастил объемные кристаллы этого 2D-материала, используя специальную технику. Затем Каяле изготовил двухслойное магнитное устройство, используя наноразмерные чешуйки теллурида железа-галлия под шестинанометровым слоем платины.

В крошечном устройстве в руках они использовали внутреннее свойство электронов, известное как вращение, для переключения его намагниченности при комнатной температуре.

Электронный пинг-понг

Хотя электроны технически не «вращаются», как волчок, они обладают тем же угловым моментом. Это вращение имеет направление либо вверх, либо вниз. Исследователи могут использовать свойство, известное как спин-орбитальная связь, для управления спинами электронов, которые они запускают в магнит.

Точно так же, как импульс передается, когда один шар сталкивается с другим, электроны передадут свой «спиновый импульс» двумерному магнитному материалу, когда они ударяются о него. В зависимости от направления их спинов, эта передача импульса может обратить намагниченность вспять.

В каком-то смысле эта передача вращает намагниченность сверху вниз (или наоборот), поэтому ее называют «крутящим моментом», как при переключении крутящего момента на спин-орбите. Применение отрицательного электрического импульса заставляет намагниченность опускаться, а положительный импульс — вверх.

Исследователи могут осуществить это переключение при комнатной температуре по двум причинам: особые свойства теллурида железа-галлия и тот факт, что в их методе используется небольшое количество электрического тока. Подача слишком большого тока в устройство может привести к его перегреву и размагничиванию.

По словам Каяле, за два года, которые потребовались для достижения этого рубежа, команда столкнулась со многими проблемами. Найти подходящий магнитный материал было только полдела. Поскольку теллурид железа-галлия быстро окисляется, изготовление необходимо проводить в перчаточном боксе, наполненном азотом.

«Устройство подвергается воздействию воздуха всего 10–15 секунд, но даже после этого мне приходится полировать его, чтобы удалить оксид», — говорит он.

Теперь, когда они продемонстрировали переключение при комнатной температуре и большую энергоэффективность, исследователи планируют продолжать повышать производительность магнитных материалов Ван-дер-Ваальса.

«Наша следующая веха — добиться переключения без необходимости использования каких-либо внешних магнитных полей. Наша цель — усовершенствовать нашу технологию и масштабировать ее, чтобы обеспечить универсальность магнита Ван-дер-Ваальса в коммерческом применении», — говорит Саркар.

Эта работа частично выполнялась с использованием мощностей MIT.Nano и Центра наноразмерных систем Гарвардского университета.