Immagina un futuro in cui i computer possano apprendere e prendere decisioni in modi che imitano il pensiero umano, ma a una velocità e un'efficienza che sono ordini di grandezza superiori alle attuali capacità dei computer.
Un gruppo di ricerca dell'Università del Wyoming ha creato un metodo innovativo per controllare minuscoli stati magnetici all'interno di magneti di van der Waals ultrasottili e bidimensionali (2D), un processo simile a come premendo un interruttore della luce si controlla una lampadina.
"La nostra scoperta potrebbe portare a dispositivi di memoria avanzati in grado di archiviare più dati e consumare meno energia o consentire lo sviluppo di tipi di computer completamente nuovi in grado di risolvere rapidamente problemi attualmente intrattabili", afferma Jifa Tian, assistente professore presso il Dipartimento di Scienze dell'UW. Fisica e Astronomia e direttore ad interim del Centro per la scienza e l'ingegneria dell'informazione quantistica dell'UW.
Tian è l'autore corrispondente di un articolo intitolato "Tunneling degli stati di spin controllati dalla corrente in magneti di van der Waals a pochi strati", pubblicato su Nature Communications .
I materiali di Van der Waals sono costituiti da strati 2D fortemente legati che sono legati nella terza dimensione attraverso forze di van der Waals più deboli. Ad esempio, la grafite è un materiale di van der Waals ampiamente utilizzato nell'industria per elettrodi, lubrificanti, fibre, scambiatori di calore e batterie. La natura delle forze di van der Waals tra gli strati consente ai ricercatori di utilizzare il nastro adesivo per staccare gli strati fino a ottenere uno spessore atomico.
Il team ha sviluppato un dispositivo noto come giunzione tunnel magnetica, che utilizza il triioduro di cromo, un magnete isolante 2D spesso solo pochi atomi, inserito tra due strati di grafene. Inviando una minuscola corrente elettrica, chiamata corrente tunnel, attraverso questo sandwich, la direzione dell'orientamento dei domini magnetici del magnete (di circa 100 nanometri di dimensione) può essere dettata all'interno dei singoli strati di triioduro di cromo, dice Tian.
Nello specifico, "questa corrente tunneling non solo può controllare la direzione di commutazione tra due stati di spin stabili, ma induce e manipola anche il passaggio tra stati di spin metastabili, chiamato commutazione stocastica", afferma ZhuangEn Fu, uno studente laureato nel laboratorio di ricerca di Tian e ora post-dottorato. ricercatore presso l'Università del Maryland.
"Questa svolta non è solo intrigante; è anche molto pratica. Consuma tre ordini di grandezza di energia in meno rispetto ai metodi tradizionali, come sostituire una vecchia lampadina con una LED, segnando un potenziale punto di svolta per la tecnologia futura", afferma Tian. "La nostra ricerca potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi informatici che sono più veloci, più piccoli, più efficienti dal punto di vista energetico e potenti che mai. La nostra ricerca segna un progresso significativo nel magnetismo al limite 2D e pone le basi per nuove e potenti piattaforme informatiche , come i computer probabilistici."
I computer tradizionali utilizzano i bit per memorizzare le informazioni come 0 e 1. Questo codice binario è il fondamento di tutti i processi informatici classici. I computer quantistici utilizzano bit quantistici che possono rappresentare sia "0" che "1" contemporaneamente, aumentando esponenzialmente la potenza di elaborazione.
"Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato quello che potresti considerare un bit probabilistico, che può passare da '0' a '1' (due stati di spin) in base alle probabilità controllate dalla corrente tunneling", afferma Tian. "Questi bit si basano sulle proprietà uniche dei magneti 2D ultrasottili e possono essere collegati insieme in un modo simile ai neuroni del cervello per formare un nuovo tipo di computer, noto come computer probabilistico."
"Ciò che rende questi nuovi computer potenzialmente rivoluzionari è la loro capacità di gestire compiti che sono incredibilmente impegnativi per i computer tradizionali e anche per quelli quantistici, come alcuni tipi di compiti complessi di apprendimento automatico e problemi di elaborazione dei dati", continua Tian. "Sono naturalmente tolleranti agli errori, semplici nel design e occupano meno spazio, il che potrebbe portare a tecnologie informatiche più efficienti e potenti."
Hua Chen, professore associato di fisica presso la Colorado State University, e Allan MacDonald, professore di fisica presso l'Università del Texas-Austin, hanno collaborato per sviluppare un modello teorico che chiarisce come le correnti di tunneling influenzano gli stati di spin nelle giunzioni tunnel magnetiche 2D. Altri contributori provenivano dalla Penn State University, dalla Northeastern University e dal National Institute for Materials Science di Namiki, Tsukuba, Giappone.
Ulteriori informazioni: ZhuangEn Fu et al, Tunneling degli stati di spin controllati dalla corrente in magneti di van der Waals a pochi strati, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47820-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università del Wyoming
