Los materiales magnéticos 2D mejoran la eficiencia energética en la informática

Las memorias y los procesadores de computadoras experimentales construidos con materiales magnéticos utilizan mucha menos energía que los dispositivos tradicionales basados ​​en silicio. Compuestos por capas de solo unos pocos átomos de espesor, los materiales magnéticos 2D tienen propiedades asombrosas que podrían permitir que los dispositivos magnéticos alcancen una velocidad, eficiencia y escalabilidad sin precedentes.

Si bien es necesario superar muchos obstáculos antes de que los llamados materiales magnéticos de Van der Waals puedan integrarse en computadoras que funcionen, los investigadores del MIT han dado un paso importante en esta dirección al demostrar el control preciso de los imanes de Van der Waals a temperatura ambiente.

Esto es clave, ya que los imanes fabricados con materiales atómicamente delgados de Van der Waals sólo pueden controlarse a temperaturas extremadamente frías, lo que dificulta su despliegue fuera del laboratorio.

Los investigadores utilizaron pulsos de corriente eléctrica para cambiar la dirección de magnetización del dispositivo a temperatura ambiente. La conmutación magnética se puede utilizar en el cálculo, de la misma manera que un transistor se enciende y apaga para representar 0 y 1 en código binario, o en la memoria de la computadora, donde la conmutación permite almacenar datos.

El equipo disparó ráfagas de electrones a un imán hecho de un nuevo material que puede mantener su magnetismo a temperaturas más altas. El experimento aprovechó una propiedad fundamental de los electrones conocida como espín, que hace que los electrones se comporten como pequeños imanes. Al controlar el giro de los electrones que chocan contra el dispositivo, los investigadores pueden alterar su magnetización.

«El dispositivo de heteroestructura que desarrollamos requiere un orden de magnitud menor de corriente eléctrica para cambiar los imanes de Van der Waals que la requerida para los dispositivos magnéticos masivos», dice Deblina Sarkar, profesora asistente de Desarrollo Profesional de AT&T en el Laboratorio y Centro de Medios del MIT. en Ingeniería Neurobiológica, jefe del Laboratorio Nano-Cybernetic Biotrek y autor principal de un artículo sobre esta tecnología. «Nuestro dispositivo también es más eficiente energéticamente que otros imanes de Van der Waals que no pueden cambiar a temperatura ambiente».

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En el futuro, estos imanes podrían usarse para construir computadoras más rápidas y que consuman menos electricidad. También podría habilitar memorias de computadora magnéticas no volátiles, lo que significa que no pierden información cuando se apagan, o procesadores que hacen que los complejos algoritmos de IA sean más eficientes energéticamente.

«Hay mucha inercia en el intento de mejorar materiales que han funcionado bien en el pasado», afirma Shivam. «Pero hemos demostrado que si se hacen cambios radicales, empezando por repensar los materiales que se utilizan, es probable que se obtengan resultados». soluciones mucho mejores”. Cajali, estudiante de posgrado en el laboratorio de Sarkar y coautor principal de este artículo.

A Cajali y Sarkar se unen en el artículo el coautor principal Thanh Nguyen, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE); Corson Zhao, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DSME); David Bono, científico investigador de DSME; Artitaya Bunkerd, estudiante de posgrado de NSE; y Mingda Li, profesora asociada de ciencia e ingeniería nucleares. buscar Aparece esta semana En Comunicaciones de la naturaleza.

Característica delgada atómica

Los métodos de fabricación de pequeños chips de computadora en una sala limpia a partir de materiales voluminosos como el silicio pueden obstaculizar los dispositivos. Por ejemplo, las capas de material pueden tener apenas 1 nanómetro de espesor, por lo que pequeñas zonas rugosas en la superficie pueden ser lo suficientemente graves como para degradar el rendimiento.

Por el contrario, los materiales magnéticos de van der Waals están intrínsecamente estratificados y estructurados de modo que la superficie permanece perfectamente lisa, incluso cuando los investigadores retiran las capas para fabricar dispositivos más delgados. Además, los átomos de una capa no se filtrarán a otras capas, lo que permitirá que los materiales conserven sus propiedades únicas cuando se apilan en dispositivos.

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«En términos de ampliar estos dispositivos magnéticos y hacerlos competitivos en aplicaciones comerciales, los materiales de van der Waals son el camino a seguir», afirma Cagalli.

Pero hay un problema. Esta nueva clase de materiales magnéticos normalmente funciona a temperaturas inferiores a 60 K (-351 °F). Para construir un procesador o una memoria de computadora magnéticos, los investigadores necesitan usar corriente eléctrica para alimentar imanes a temperatura ambiente.

Para lograrlo, el equipo se centró en un material emergente llamado telururo de hierro y galio. Este material atómicamente delgado tiene todas las propiedades necesarias para un magnetismo eficaz a temperatura ambiente y no contiene elementos de tierras raras, que no son deseables porque su extracción es especialmente perjudicial para el medio ambiente.

Nguyen cultivó cuidadosamente grandes cristales de este material bidimensional utilizando una técnica especial. A continuación, Cagalli fabricó un dispositivo magnético de dos capas utilizando nanoláminas de telururo de hierro y galio bajo una capa de platino de seis nanómetros de espesor.

Con un pequeño dispositivo a mano, utilizaron una propiedad intrínseca de los electrones conocida como espín para cambiar su magnetización a temperatura ambiente.

Ping pong electrónico

Si bien los electrones técnicamente no «giran» como una peonza, sí tienen el mismo tipo de momento angular. Esta rotación tiene una dirección, ya sea hacia arriba o hacia abajo. Los investigadores pueden aprovechar una propiedad conocida como acoplamiento espín-órbita para controlar el espín de los electrones que disparan al imán.

De la misma manera que se transfiere el impulso cuando una bola choca con otra, los electrones transferirán su «impulso de giro» al material magnético 2D cuando lo golpeen. Dependiendo de la dirección de su giro, esta transferencia de impulso puede provocar una inversión de la magnetización.

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En cierto sentido, esta transferencia hace girar la magnetización de arriba a abajo (o viceversa), por lo que se llama «par», como cuando se cambian pares en órbita. La aplicación de un pulso eléctrico negativo hace que la magnetización disminuya, mientras que la aplicación de un pulso positivo hace que aumente.

Los investigadores pueden realizar este cambio a temperatura ambiente por dos razones: las propiedades especiales del telururo de hierro y galio y el hecho de que su técnica utiliza pequeñas cantidades de corriente eléctrica. Bombear demasiada corriente al dispositivo puede provocar que se sobrecaliente y se desmagnetice.

Cagalli dice que el equipo enfrentó muchos desafíos durante los dos años que llevó lograr esta hazaña. Encontrar el material magnético adecuado fue sólo la mitad de la batalla. Dado que el telururo de hierro y galio se oxida rápidamente, la fabricación debe realizarse dentro de una caja de guantes llena de nitrógeno.

“El dispositivo solo se expone al aire durante 10 o 15 segundos, pero incluso después tengo que hacer un paso en el que lo pulo para eliminar el óxido”, dice.

Ahora que han demostrado el cambio de temperatura ambiente y una mayor eficiencia energética, los investigadores planean mejorar aún más el rendimiento de los materiales magnéticos de van der Waals.

«Nuestro próximo objetivo es lograr la conmutación sin necesidad de campos magnéticos externos», afirma Sarkar. «Nuestro objetivo es mejorar y escalar nuestra tecnología para llevar la versatilidad de los imanes de Van der Waals a aplicaciones comerciales».

Este trabajo se realizó en parte utilizando instalaciones del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT.Nano) y el Centro de Nanosistemas de la Universidad de Harvard.

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