Forscher nutzen 2D-Magnetmaterialien für energieeffizientes Rechnen

Experimentelle Computerspeicher und Prozessoren aus magnetischen Materialien verbrauchen weitaus weniger Energie als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis. Zweidimensionale magnetische Materialien, die aus Schichten bestehen, die nur wenige Atome dick sind, verfügen über unglaubliche Eigenschaften, die magnetbasierten Geräten eine beispiellose Geschwindigkeit, Effizienz und Skalierbarkeit ermöglichen könnten.

Während viele Hürden überwunden werden müssen, bis diese sogenannten Van-der-Waals-Magnetmaterialien in funktionierende Computer integriert werden können, haben MIT-Forscher einen wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht, indem sie die präzise Steuerung eines Van-der-Waals-Magneten bei Raumtemperatur demonstrierten.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Magnete aus atomar dünnen Van-der-Waals-Materialien normalerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen kontrolliert werden können, was ihren Einsatz außerhalb eines Labors schwierig macht.

Die Forscher verwendeten elektrische Stromimpulse, um die Magnetisierungsrichtung des Geräts bei Raumtemperatur zu ändern. Magnetisches Schalten kann in der Berechnung verwendet werden, genauso wie ein Transistor zwischen offen und geschlossen schaltet, um Nullen und Einsen im Binärcode darzustellen, oder im Computerspeicher, wo das Schalten die Datenspeicherung ermöglicht. Die Forschung ist veröffentlicht in Naturkommunikation.

Das Team feuerte Elektronenstöße auf einen Magneten ab, der aus einem neuen Material bestand, das seinen Magnetismus auch bei höheren Temperaturen aufrechterhalten kann. Das Experiment nutzte eine grundlegende Eigenschaft von Elektronen, den sogenannten Spin, der dafür sorgt, dass sich die Elektronen wie winzige Magnete verhalten. Durch Manipulation des Spins der Elektronen, die auf das Gerät treffen, können die Forscher dessen Magnetisierung ändern.

„Das von uns entwickelte Heterostrukturgerät benötigt zum Schalten des Van-der-Waals-Magneten einen um eine Größenordnung geringeren elektrischen Strom als der, der für massive magnetische Geräte erforderlich ist“, sagt Deblina Sarkar, Assistenzprofessorin für Karriereentwicklung bei AT&T im MIT Media Lab and Center für Neurobiological Engineering, Leiter des Nano-Cybernetic Biotrek Lab und leitender Autor eines Artikels über diese Technik. „Unser Gerät ist außerdem energieeffizienter als andere Van-der-Waals-Magnete, die bei Raumtemperatur nicht schalten können.“

Mit einem solchen Magneten könnten künftig schnellere Computer gebaut werden, die weniger Strom verbrauchen. Es könnte auch magnetische Computerspeicher ermöglichen, die nichtflüchtig sind, was bedeutet, dass sie beim Ausschalten keine Informationen verlieren, oder Prozessoren, die komplexe KI-Algorithmen energieeffizienter machen.

„Der Versuch, Materialien zu verbessern, die in der Vergangenheit gut funktioniert haben, ist sehr träge. Aber wir haben gezeigt, dass man möglicherweise viel bessere Lösungen erhalten kann, wenn man radikale Änderungen vornimmt und damit beginnt, die verwendeten Materialien zu überdenken“, sagt Shivam Kajale, eine Doktorandin in Sarkars Labor und Co-Hauptautorin des Artikels.

Ein atomar dünner Vorteil

Methoden zur Herstellung winziger Computerchips in einem Reinraum aus Massenmaterialien wie Silizium können Geräte beeinträchtigen. Beispielsweise können die Materialschichten kaum 1 Nanometer dick sein, sodass winzige raue Stellen auf der Oberfläche schwerwiegend genug sein können, um die Leistung zu beeinträchtigen.

Im Gegensatz dazu sind magnetische Van-der-Waals-Materialien intrinsisch geschichtet und so strukturiert, dass die Oberfläche vollkommen glatt bleibt, selbst wenn Forscher Schichten abziehen, um dünnere Geräte herzustellen. Darüber hinaus dringen Atome einer Schicht nicht in andere Schichten ein, sodass die Materialien ihre einzigartigen Eigenschaften behalten, wenn sie in Geräten gestapelt werden.

„Im Hinblick auf die Skalierung und die Wettbewerbsfähigkeit dieser magnetischen Geräte für kommerzielle Anwendungen sind Van-der-Waals-Materialien der richtige Weg“, sagt Kajale.

Aber da ist ein Fang. Diese neue Klasse magnetischer Materialien wurde normalerweise nur bei Temperaturen unter 60 Kelvin (-351 Grad Fahrenheit) betrieben. Um einen magnetischen Computerprozessor oder Speicher zu bauen, müssen Forscher den Magneten mit elektrischem Strom bei Raumtemperatur betreiben.

Um dies zu erreichen, konzentrierte sich das Team auf ein neues Material namens Eisengalliumtellurid. Dieses atomar dünne Material verfügt über alle Eigenschaften, die für einen wirksamen Magnetismus bei Raumtemperatur erforderlich sind, und enthält keine Seltenerdelemente, die unerwünscht sind, da ihre Gewinnung besonders schädlich für die Umwelt ist.

Nguyen hat mithilfe einer speziellen Technik sorgfältig Volumenkristalle dieses 2D-Materials gezüchtet. Anschließend stellte Kajale ein zweischichtiges magnetisches Gerät her, bei dem er nanoskalige Eisen-Gallium-Tellurid-Flocken unter einer sechs Nanometer dicken Platinschicht verwendete.

Sie nutzten ein winziges Gerät in der Hand und nutzten eine intrinsische Eigenschaft von Elektronen, die als Spin bekannt ist, um dessen Magnetisierung bei Raumtemperatur umzuschalten.

Elektronen-Tischtennis

Obwohl sich Elektronen technisch gesehen nicht wie ein Kreisel „drehen“, besitzen sie doch die gleiche Art von Drehimpuls. Dieser Spin hat eine Richtung, entweder nach oben oder nach unten. Die Forscher können eine Eigenschaft namens Spin-Bahn-Kopplung nutzen, um die Spins der Elektronen zu steuern, die sie auf den Magneten abfeuern.

Auf die gleiche Weise, wie der Impuls übertragen wird, wenn ein Ball auf einen anderen trifft, übertragen Elektronen ihren „Spinimpuls“ auf das 2D-Magnetmaterial, wenn sie darauf treffen. Abhängig von der Richtung ihrer Spins kann dieser Impulstransfer die Magnetisierung umkehren.

In gewissem Sinne dreht diese Übertragung die Magnetisierung von oben nach unten (oder umgekehrt), daher wird sie als „Drehmoment“ bezeichnet, wie beim Spin-Bahn-Drehmomentwechsel. Das Anlegen eines negativen elektrischen Impulses führt zu einer Absenkung der Magnetisierung, während ein positiver Impuls zu einer Anhebung der Magnetisierung führt.

Die Forscher können dieses Schalten bei Raumtemperatur aus zwei Gründen durchführen: den besonderen Eigenschaften von Eisengalliumtellurid und der Tatsache, dass ihre Technik geringe Mengen elektrischen Stroms benötigt. Wenn zu viel Strom in das Gerät gepumpt wird, würde es überhitzen und entmagnetisieren.

Das Team stand in den zwei Jahren, die es brauchte, um diesen Meilenstein zu erreichen, vor vielen Herausforderungen, sagt Kajale. Das richtige magnetische Material zu finden war nur die halbe Miete. Da Eisengalliumtellurid schnell oxidiert, muss die Herstellung in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox erfolgen.

„Das Gerät wird nur 10 oder 15 Sekunden lang der Luft ausgesetzt, aber selbst danach muss ich es noch polieren, um jegliches Oxid zu entfernen“, sagt er.

Nachdem sie nun die Umschaltung bei Raumtemperatur und eine höhere Energieeffizienz nachgewiesen haben, planen die Forscher, die Leistung magnetischer Van-der-Waals-Materialien weiter voranzutreiben.

„Unser nächster Meilenstein besteht darin, das Schalten ohne die Notwendigkeit externer Magnetfelder zu erreichen. Unser Ziel ist es, unsere Technologie zu verbessern und zu skalieren, um die Vielseitigkeit des Van-der-Waals-Magneten auf kommerzielle Anwendungen zu übertragen“, sagt Sarkar.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.