Wir treiben atomar geschichtete Magnete zu grünen Computern

Weltweit boomt die Informatik in einem beispiellosen Tempo, angetrieben durch die Vorteile der künstlichen Intelligenz. Damit ist der enorme Energiebedarf der weltweiten Computerinfrastruktur zu einem großen Problem geworden, und die Entwicklung von Computergeräten, die weitaus energieeffizienter sind, ist eine große Herausforderung für die wissenschaftliche Gemeinschaft.

Die Verwendung magnetischer Materialien zum Bau von Computergeräten wie Speichern und Prozessoren hat sich als vielversprechender Weg für die Entwicklung von „Beyond-CMOS“-Computern erwiesen, die im Vergleich zu herkömmlichen Computern weitaus weniger Energie verbrauchen würden. Das Umschalten der Magnetisierung in Magneten kann in der Berechnung auf die gleiche Weise verwendet werden, wie ein Transistor von offen auf geschlossen umschaltet, um die Nullen und Einsen des Binärcodes darzustellen.

Während sich ein Großteil der Forschung in dieser Richtung auf die Verwendung magnetischer Massenmaterialien konzentrierte, bietet eine neue Klasse magnetischer Materialien – sogenannte zweidimensionale Van-der-Waals-Magnete – überlegene Eigenschaften, die die Skalierbarkeit und Energieeffizienz magnetischer Geräte verbessern können, um sie kommerziell herzustellen lebensfähig.

Obwohl die Vorteile der Umstellung auf 2D-Magnetmaterialien offensichtlich sind, wurde ihre praktische Einführung in Computer durch einige grundlegende Herausforderungen behindert. Bis vor Kurzem konnten 2D-Magnetmaterialien ähnlich wie Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden. Daher ist es nach wie vor ein vorrangiges Ziel, ihre Betriebstemperaturen über die Raumtemperatur zu bringen. Darüber hinaus ist es für den Einsatz in Computern wichtig, dass diese elektrisch gesteuert werden können, ohne dass magnetische Felder erforderlich sind.

Die Überbrückung dieser grundlegenden Lücke, bei der 2D-Magnetmaterialien ohne Magnetfelder über Raumtemperatur elektrisch geschaltet werden können, könnte möglicherweise die Umsetzung von 2D-Magneten in die nächste Generation „grüner“ Computer katapultieren.

Ein Team von MIT-Forschern hat nun diesen entscheidenden Meilenstein erreicht, indem sie ein „van-der-Waals-atomar geschichtetes Heterostruktur“-Gerät entworfen haben, bei dem ein 2D-Van-der-Waals-Magnet, Eisen-Gallium-Tellurid, mit einem anderen 2D-Material, Wolframditellurid, verbunden ist. In einem Open-Access-Artikel veröffentlicht In Wissenschaftliche FortschritteDas Team zeigt, dass der Magnet zwischen den Zuständen 0 und 1 umgeschaltet werden kann, indem einfach elektrische Stromimpulse an sein zweischichtiges Gerät angelegt werden.

„Unser Gerät ermöglicht eine robuste Magnetisierungsumschaltung ohne die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds und eröffnet beispiellose Möglichkeiten für extrem energieeffiziente und umweltverträgliche Computertechnologie für Big Data und KI“, sagt Hauptautorin Deblina Sarkar, Assistenzprofessorin für Karriereentwicklung bei AT&T das MIT Media Lab und Center for Neurobiological Engineering und Leiter der Nano-Cybernetic Biotrek-Forschungsgruppe. „Darüber hinaus bietet die atomare Schichtstruktur unseres Geräts einzigartige Fähigkeiten, darunter eine verbesserte Schnittstelle und Möglichkeiten der Gate-Spannungsabstimmbarkeit sowie flexible und transparente Spintronik-Technologien.“

Zu Sarkars Arbeit gesellt sich der Erstautor Shivam Kajale, ein Doktorand in Sarkars Forschungsgruppe am Media Lab; Thanh Nguyen, ein Doktorand in der Abteilung für Nuklearwissenschaft und -technik (NSE); Nguyen Tuan Hung, MIT-Gastwissenschaftler in NSE und Assistenzprofessor an der Tohoku-Universität in Japan; und Mingda Li, außerordentlicher Professor der NSE.

Brechen der Spiegelsymmetrien

Wenn elektrischer Strom durch Schwermetalle wie Platin oder Tantal fließt, werden die Elektronen aufgrund ihrer Spinkomponente in den Materialien getrennt, ein Phänomen, das als Spin-Hall-Effekt bezeichnet wird, sagt Kajale. Die Art und Weise, wie diese Trennung geschieht, hängt vom Material und insbesondere von seinen Symmetrien ab.

„Die Umwandlung von elektrischem Strom in Spinströme in Schwermetallen ist das Herzstück der elektrischen Steuerung von Magneten“, bemerkt Kajale. „Die mikroskopische Struktur herkömmlich verwendeter Materialien wie Platin weist eine Art Spiegelsymmetrie auf, die die Spinströme nur auf die Spinpolarisation in der Ebene beschränkt.“

Kajale erklärt, dass zwei Spiegelsymmetrien gebrochen werden müssen, um eine Spinkomponente „außerhalb der Ebene“ zu erzeugen, die auf eine magnetische Schicht übertragen werden kann, um ein feldfreies Schalten zu induzieren. „Elektrischer Strom kann die Spiegelsymmetrie entlang einer Ebene in Platin ‚brechen‘, aber seine Kristallstruktur verhindert, dass die Spiegelsymmetrie in einer zweiten Ebene gebrochen wird.“

In ihren früheren Experimenten nutzten die Forscher ein kleines Magnetfeld, um die zweite Spiegelebene zu durchbrechen. Um die Notwendigkeit eines magnetischen Anstoßes zu beseitigen, suchten Kajale, Sarkar und Kollegen stattdessen nach einem Material mit einer Struktur, die die zweite Spiegelebene ohne fremde Hilfe durchbrechen konnte. Dies führte sie zu einem anderen 2D-Material, Wolframditellurid.

Das von den Forschern verwendete Wolframditellurid weist eine orthorhombische Kristallstruktur auf. Das Material selbst hat eine gebrochene Spiegelebene. Durch Anlegen von Strom entlang seiner Achse mit niedriger Symmetrie (parallel zur gebrochenen Spiegelebene) weist der resultierende Spinstrom eine Spinkomponente außerhalb der Ebene auf, die direkt ein Schalten in dem ultradünnen Magneten induzieren kann, der mit dem Wolframditellurid verbunden ist.

„Da es sich außerdem um ein 2D-Van-der-Waals-Material handelt, kann es auch sicherstellen, dass wir beim Stapeln der beiden Materialien makellose Grenzflächen und einen guten Fluss von Elektronenspins zwischen den Materialien erhalten“, sagt Kajale.

Energieeffizienter werden

Computerspeicher und Prozessoren aus magnetischen Materialien verbrauchen weniger Energie als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis. Und die Van-der-Waals-Magnete können im Vergleich zu magnetischem Massenmaterial eine höhere Energieeffizienz und eine bessere Skalierbarkeit bieten, stellen die Forscher fest.

Die zum Schalten des Magneten verwendete elektrische Stromdichte gibt an, wie viel Energie beim Schalten verloren geht. Eine geringere Dichte bedeutet ein wesentlich energieeffizienteres Material.

„Das neue Design weist eine der niedrigsten Stromdichten aller magnetischen Van-der-Waals-Materialien auf“, sagt Kajale. „Dieses neue Design hat einen um eine Größenordnung geringeren Schaltstrom, der in Schüttgütern benötigt wird. Dies bedeutet etwa eine Verbesserung der Energieeffizienz um zwei Größenordnungen.“

Das Forschungsteam untersucht nun ähnliche Van-der-Waals-Materialien mit niedriger Symmetrie, um herauszufinden, ob sie die Stromdichte noch weiter reduzieren können. Sie hoffen auch, mit anderen Forschern zusammenzuarbeiten, um Wege zu finden, die 2D-Magnetschaltergeräte im kommerziellen Maßstab herzustellen.

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.