Man mano che le nostre vite si intrecciano sempre più con la tecnologia, che si tratti di supportare la comunicazione mentre si lavora in remoto o di trasmettere in streaming il nostro programma preferito, anche la nostra dipendenza dai dati creati da questi dispositivi. I data center che supportano questi ecosistemi tecnologici producono un'impronta di carbonio significativa e consumano 200 terawattora di energia ogni anno, maggiore del consumo energetico annuo dell'Iran. Per bilanciare le preoccupazioni ecologiche e soddisfare la crescente domanda, i progressi nei processori microelettronici, la spina dorsale di molti dispositivi e hub di dati Internet of Things (IoT), devono essere efficienti e rispettosi dell'ambiente.

Gli scienziati dei materiali della Northwestern University hanno sviluppato nuovi principi di progettazione che potrebbero aiutare a stimolare lo sviluppo di futuri materiali quantistici utilizzati per far progredire i dispositivi (IoT) e altre tecnologie ad alta intensità di risorse, limitando i danni ecologici.

"Sono necessari nuovi materiali innovativi e paradigmi di elaborazione per rendere i data center più snelli dal punto di vista energetico in futuro, " disse Giacomo Rondinelli, professore di scienza e ingegneria dei materiali e Morris E. Fine Professor in Materials and Manufacturing presso la McCormick School of Engineering, che ha condotto la ricerca.

Lo studio segna un passo importante negli sforzi di Rondinelli per creare nuovi materiali non volatili, energia efficiente, e generare meno calore, aspetti importanti del futuro ultraveloce, elettronica a bassa potenza e computer quantistici che possono aiutare a soddisfare la crescente domanda mondiale di dati.

Piuttosto che certe classi di semiconduttori che utilizzano la carica dell'elettrone nei transistor per alimentare i computer, i materiali a base di spin allo stato solido utilizzano lo spin dell'elettrone e hanno il potenziale per supportare dispositivi di memoria a bassa energia. In particolare, i materiali con una trama di spin persistente di alta qualità (PST) possono esibire un'elica di spin persistente di lunga durata (PSH), che può essere utilizzato per tracciare o controllare le informazioni basate sullo spin in un transistor.

Sebbene molti materiali basati sugli spin codifichino già le informazioni utilizzando gli spin, tale informazione può essere corrotta mentre gli spin si propagano nella porzione attiva del transistor. Il romanzo PST dei ricercatori protegge le informazioni di rotazione in forma di elica, rendendolo una potenziale piattaforma in cui operano dispositivi logici e di memoria a bassissima energia e ultraveloci basati su spin.

Il team di ricerca ha utilizzato modelli quantomeccanici e metodi computazionali per sviluppare un quadro per identificare e valutare le trame di spin in un gruppo di materiali cristallini non centrosimmetrici. La capacità di controllare e ottimizzare la durata dello spin e le proprietà di trasporto in questi materiali è vitale per realizzare il futuro dei dispositivi microelettronici quantistici che funzionano con un basso consumo energetico.

"La caratteristica limitante del calcolo basato sugli spin è la difficoltà di ottenere spin di lunga durata e completamente controllabili da semiconduttori convenzionali e materiali magnetici, " Ha detto Rondinelli. "Il nostro studio aiuterà i futuri sforzi teorici e sperimentali volti a controllare gli spin in materiali altrimenti non magnetici per soddisfare le future esigenze di scala e economiche".

La struttura di Rondinelli ha utilizzato modelli microscopici efficaci e teoria dei gruppi per identificare tre criteri di progettazione dei materiali che avrebbero prodotto trame di spin utili:densità del vettore, il numero di elettroni che si propagano attraverso un campo magnetico effettivo, Rashba anisotropia, il rapporto tra i parametri intrinseci di accoppiamento spin-orbita dei materiali, e l'occupazione dello spazio di moto, la regione PST attiva nella struttura elettronica delle bande. Queste caratteristiche sono state quindi valutate utilizzando simulazioni quantomeccaniche per scoprire PSH ad alte prestazioni in una gamma di materiali a base di ossido.

I ricercatori hanno utilizzato questi principi e soluzioni numeriche per una serie di equazioni differenziali di spin-diffusione per valutare la trama di spin di ciascun materiale e prevedere le vite di spin per l'elica nel forte limite di accoppiamento spin-orbita. Hanno anche scoperto che potevano regolare e migliorare le prestazioni PST usando distorsioni atomiche su scala pico. Il gruppo ha determinato un materiale PST ottimale, Sr3Hf2O7, che ha mostrato una vita di rotazione sostanzialmente più lunga per l'elica rispetto a qualsiasi materiale precedentemente riportato.

"Il nostro approccio fornisce una strategia unica, indipendente dalla chimica, per scoprire, identificare, e valutare le trame di spin persistenti protette dalla simmetria nei materiali quantistici utilizzando criteri intrinseci ed estrinseci, " ha detto Rondinelli. "Abbiamo proposto un modo per espandere il numero di gruppi spaziali che ospitano un PST, che può fungere da serbatoio da cui progettare futuri materiali PST, e trovò ancora un altro uso per gli ossidi ferroelettrici, composti con una polarizzazione elettrica spontanea. Il nostro lavoro aiuterà anche a guidare gli sforzi sperimentali volti a implementare i materiali in strutture di dispositivi reali".

Un documento che descrive il lavoro, intitolato "Principi e materiali di scoperta per trame di spin persistenti protette dalla simmetria con lunghe durate di spin, " è stato pubblicato online il 18 settembre sulla rivista Questione .