A livello globale, l’informatica sta vivendo un boom a un ritmo senza precedenti, alimentato dai vantaggi dell’intelligenza artificiale. Di conseguenza, l'incredibile domanda energetica delle infrastrutture informatiche mondiali è diventata una delle principali preoccupazioni e lo sviluppo di dispositivi informatici molto più efficienti dal punto di vista energetico rappresenta una sfida importante per la comunità scientifica.
L'uso di materiali magnetici per costruire dispositivi informatici come memorie e processori è emerso come una strada promettente per la creazione di computer "oltre CMOS", che utilizzerebbero molta meno energia rispetto ai computer tradizionali. La commutazione della magnetizzazione nei magneti può essere utilizzata nei calcoli nello stesso modo in cui un transistor passa da aperto a chiuso per rappresentare gli 0 e gli 1 del codice binario.
Sebbene gran parte della ricerca in questa direzione si sia concentrata sull'uso di materiali magnetici sfusi, una nuova classe di materiali magnetici, chiamati magneti di van der Waals bidimensionali, fornisce proprietà superiori che possono migliorare la scalabilità e l'efficienza energetica dei dispositivi magnetici per renderli commercialmente disponibili. vitale.
Sebbene i vantaggi del passaggio ai materiali magnetici 2D siano evidenti, la loro introduzione pratica nei computer è stata ostacolata da alcune sfide fondamentali. Fino a poco tempo fa, i materiali magnetici 2D potevano funzionare solo a temperature molto basse, proprio come i superconduttori. Pertanto, portare la temperatura operativa al di sopra della temperatura ambiente è rimasto un obiettivo primario. Inoltre, per l'utilizzo nei computer, è importante che possano essere controllati elettricamente, senza la necessità di campi magnetici.
Colmare questo divario fondamentale, in cui i materiali magnetici 2D possono essere commutati elettricamente al di sopra della temperatura ambiente senza campi magnetici, potrebbe potenzialmente catapultare la traduzione dei magneti 2D nella prossima generazione di computer "verdi".
Un team di ricercatori del MIT ha ora raggiunto questo traguardo fondamentale progettando un dispositivo “eterostruttura a strati atomici di van der Waals” in cui un magnete 2D di van der Waals, il tellururo di ferro e gallio, è interfacciato con un altro materiale 2D, il ditelluride di tungsteno. In un articolo ad accesso libero pubblicato su Science Advances , il team dimostra che il magnete può essere commutato tra gli stati 0 e 1 semplicemente applicando impulsi di corrente elettrica attraverso il loro dispositivo a due strati.
"Il nostro dispositivo consente una robusta commutazione della magnetizzazione senza la necessità di un campo magnetico esterno, aprendo opportunità senza precedenti per una tecnologia informatica a bassissimo consumo e sostenibile dal punto di vista ambientale per big data e intelligenza artificiale", afferma l'autrice principale Deblina Sarkar, professoressa assistente per lo sviluppo della carriera di AT&T presso il MIT Media Lab e Centro di ingegneria neurobiologica e capo del gruppo di ricerca Nano-Cybernetic Biotrek. "Inoltre, la struttura a strati atomici del nostro dispositivo offre funzionalità uniche, tra cui un'interfaccia migliorata e possibilità di regolazione della tensione di gate, nonché tecnologie spintroniche flessibili e trasparenti."
Sarkar è affiancato nell'articolo dal primo autore Shivam Kajale, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Sarkar presso il Media Lab; Thanh Nguyen, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE); Nguyen Tuan Hung, studioso in visita del MIT in NSE e professore assistente all'Università di Tohoku in Giappone; e Mingda Li, professore associato di NSE.
Rompere le simmetrie speculari
Quando la corrente elettrica scorre attraverso metalli pesanti come il platino o il tantalio, gli elettroni vengono segregati nei materiali in base alla loro componente di spin, un fenomeno chiamato effetto Hall di spin, dice Kajale. Il modo in cui avviene questa segregazione dipende dal materiale e in particolare dalle sue simmetrie.
"La conversione della corrente elettrica in correnti di spin nei metalli pesanti è al centro del controllo elettrico dei magneti", osserva Kajale. "La struttura microscopica dei materiali usati convenzionalmente, come il platino, ha una sorta di simmetria a specchio, che limita le correnti di spin solo alla polarizzazione di spin nel piano."
Kajale spiega che due simmetrie speculari devono essere rotte per produrre una componente di spin "fuori dal piano" che può essere trasferita su uno strato magnetico per indurre una commutazione senza campo. "La corrente elettrica può 'rompere' la simmetria dello specchio lungo un piano nel platino, ma la sua struttura cristallina impedisce che la simmetria dello specchio venga rotta su un secondo piano."
Nei loro esperimenti precedenti, i ricercatori hanno utilizzato un piccolo campo magnetico per rompere il secondo piano dello specchio. Per eliminare la necessità di una spinta magnetica, Kajale, Sarkar e colleghi hanno cercato invece un materiale con una struttura in grado di rompere il secondo piano dello specchio senza un aiuto esterno. Ciò li ha portati a un altro materiale 2D, il ditelluride di tungsteno.
Il ditelluride di tungsteno utilizzato dai ricercatori ha una struttura cristallina ortorombica. Il materiale stesso ha un piano speculare rotto. Pertanto, applicando corrente lungo il suo asse a bassa simmetria (parallelo al piano dello specchio rotto), la corrente di spin risultante ha una componente di spin fuori dal piano che può indurre direttamente la commutazione nel magnete ultrasottile interfacciato con il ditelluride di tungsteno.
"Poiché è anche un materiale di van der Waals 2D, può anche garantire che quando impiliamo i due materiali insieme, otteniamo interfacce incontaminate e un buon flusso di spin elettronici tra i materiali", afferma Kajale.
La memoria del computer e i processori costruiti con materiali magnetici consumano meno energia rispetto ai tradizionali dispositivi basati sul silicio. E i magneti di van der Waals possono offrire una maggiore efficienza energetica e una migliore scalabilità rispetto al materiale magnetico sfuso, notano i ricercatori.
La densità di corrente elettrica utilizzata per commutare il magnete si traduce nella quantità di energia dissipata durante la commutazione. Una densità inferiore significa un materiale molto più efficiente dal punto di vista energetico.
"Il nuovo design ha una delle densità di corrente più basse tra i materiali magnetici di van der Waals", afferma Kajale. "Questo nuovo design ha un ordine di grandezza inferiore in termini di corrente di commutazione richiesta nei materiali sfusi. Ciò si traduce in un miglioramento di circa due ordini di grandezza in termini di efficienza energetica."
Il gruppo di ricerca sta ora esaminando materiali simili di van der Waals a bassa simmetria per vedere se possono ridurre ulteriormente la densità di corrente. Sperano anche di collaborare con altri ricercatori per trovare modi per produrre dispositivi di commutazione magnetica 2D su scala commerciale.
Ulteriori informazioni: Shivam N. Kajale et al, Commutazione deterministica senza campo del sistema di coppia spin-orbita di All-van der Waals al di sopra della temperatura ambiente, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8669
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
