Le memorie e i processori sperimentali dei computer costruiti con materiali magnetici utilizzano molta meno energia rispetto ai tradizionali dispositivi basati sul silicio. I materiali magnetici bidimensionali, composti da strati spessi solo pochi atomi, hanno proprietà incredibili che potrebbero consentire ai dispositivi magnetici di raggiungere velocità, efficienza e scalabilità senza precedenti.
Mentre devono essere superati molti ostacoli prima che questi cosiddetti materiali magnetici di van der Waals possano essere integrati in computer funzionanti, i ricercatori del MIT hanno compiuto un passo importante in questa direzione dimostrando il controllo preciso di un magnete di van der Waals a temperatura ambiente.
Questo è fondamentale, poiché i magneti composti da materiali di van der Waals atomicamente sottili possono in genere essere controllati solo a temperature estremamente fredde, rendendoli difficili da utilizzare al di fuori di un laboratorio.
I ricercatori hanno utilizzato impulsi di corrente elettrica per cambiare la direzione della magnetizzazione del dispositivo a temperatura ambiente. La commutazione magnetica può essere utilizzata nei calcoli, nello stesso modo in cui un transistor commuta tra aperto e chiuso per rappresentare 0 e 1 nel codice binario, o nella memoria del computer, dove la commutazione consente l'archiviazione dei dati. La ricerca è pubblicata su Nature Communications .
Il team ha sparato raffiche di elettroni contro un magnete fatto di un nuovo materiale in grado di sostenere il suo magnetismo a temperature più elevate. L’esperimento ha sfruttato una proprietà fondamentale degli elettroni nota come spin, che fa sì che gli elettroni si comportino come minuscoli magneti. Manipolando la rotazione degli elettroni che colpiscono il dispositivo, i ricercatori possono cambiarne la magnetizzazione.
"Il dispositivo eterostruttura che abbiamo sviluppato richiede una corrente elettrica di un ordine di grandezza inferiore per commutare il magnete di van der Waals, rispetto a quella richiesta per i dispositivi magnetici sfusi", afferma Deblina Sarkar, professoressa assistente per lo sviluppo della carriera di AT&T presso il MIT Media Lab and Center. per l'ingegneria neurobiologica, capo del laboratorio Nano-Cybernetic Biotrek e autore senior di un articolo su questa tecnica. "Il nostro dispositivo è anche più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri magneti di van der Waals che non sono in grado di commutare a temperatura ambiente."
In futuro, un magnete di questo tipo potrebbe essere utilizzato per costruire computer più veloci che consumano meno elettricità. Potrebbe anche abilitare memorie magnetiche per computer che non sono volatili, il che significa che non perdono informazioni quando vengono spente, o processori che rendono i complessi algoritmi di intelligenza artificiale più efficienti dal punto di vista energetico.
"C'è molta inerzia nel cercare di migliorare i materiali che funzionavano bene in passato. Ma abbiamo dimostrato che se si apportano cambiamenti radicali, iniziando dal ripensamento dei materiali che si utilizzano, si possono potenzialmente ottenere soluzioni molto migliori", afferma Shivam. Kajale, uno studente laureato del laboratorio di Sarkar e co-autore principale dell'articolo.
I metodi per fabbricare minuscoli chip di computer in una stanza bianca da materiali sfusi come il silicio possono ostacolare i dispositivi. Ad esempio, gli strati di materiale possono avere uno spessore di appena 1 nanometro, quindi minuscoli punti ruvidi sulla superficie possono essere abbastanza gravi da compromettere le prestazioni.
Al contrario, i materiali magnetici di van der Waals sono intrinsecamente stratificati e strutturati in modo tale che la superficie rimanga perfettamente liscia, anche quando i ricercatori rimuovono gli strati per realizzare dispositivi più sottili. Inoltre, gli atomi di uno strato non si diffondono negli altri strati, consentendo ai materiali di conservare le loro proprietà uniche quando impilati nei dispositivi.
"In termini di scalabilità e di resa competitiva di questi dispositivi magnetici per le applicazioni commerciali, i materiali van der Waals sono la strada da percorrere", afferma Kajale.
Ma c'è un problema. Questa nuova classe di materiali magnetici è stata generalmente utilizzata solo a temperature inferiori a 60 Kelvin (-351 gradi Fahrenheit). Per costruire un processore o una memoria per computer magnetici, i ricercatori devono utilizzare la corrente elettrica per far funzionare il magnete a temperatura ambiente.
Per raggiungere questo obiettivo, il team si è concentrato su un materiale emergente chiamato tellururo di ferro e gallio. Questo materiale atomicamente sottile ha tutte le proprietà necessarie per un magnetismo efficace a temperatura ambiente e non contiene elementi di terre rare, che sono indesiderabili perché estrarli è particolarmente distruttivo per l'ambiente.
Nguyen ha coltivato con cura cristalli sfusi di questo materiale 2D utilizzando una tecnica speciale. Quindi, Kajale ha fabbricato un dispositivo magnetico a due strati utilizzando scaglie su scala nanometrica di tellururo di ferro e gallio sotto uno strato di platino da sei nanometri.
Con un minuscolo dispositivo in mano, hanno utilizzato una proprietà intrinseca degli elettroni nota come spin per commutarne la magnetizzazione a temperatura ambiente.
Anche se tecnicamente gli elettroni non "ruotano" come una trottola, possiedono lo stesso tipo di momento angolare. Quella rotazione ha una direzione, verso l'alto o verso il basso. I ricercatori possono sfruttare una proprietà nota come accoppiamento spin-orbita per controllare gli spin degli elettroni che sparano al magnete.
Allo stesso modo in cui la quantità di moto viene trasferita quando una palla ne colpisce un'altra, gli elettroni trasferiranno la loro "momento di rotazione" al materiale magnetico 2D quando lo colpiscono. A seconda della direzione dei loro giri, il trasferimento di quantità di moto può invertire la magnetizzazione.
In un certo senso, questo trasferimento ruota la magnetizzazione dall'alto verso il basso (o viceversa), quindi è chiamato "coppia", come nella commutazione della coppia spin-orbita. L'applicazione di un impulso elettrico negativo fa sì che la magnetizzazione vada verso il basso, mentre un impulso positivo la fa andare verso l'alto.
I ricercatori possono effettuare questa commutazione a temperatura ambiente per due ragioni:le proprietà speciali del tellururo di ferro e gallio e il fatto che la loro tecnica utilizza piccole quantità di corrente elettrica. Pompare troppa corrente nel dispositivo ne causerebbe il surriscaldamento e la smagnetizzazione.
Il team ha dovuto affrontare molte sfide nel corso dei due anni necessari per raggiungere questo traguardo, afferma Kajale. Trovare il materiale magnetico giusto era solo metà dell’opera. Poiché il tellururo di ferro e gallio si ossida rapidamente, la fabbricazione deve essere eseguita all'interno di un vano portaoggetti riempito con azoto.
"Il dispositivo viene esposto all'aria solo per 10 o 15 secondi, ma anche dopo devo eseguire una fase in cui lo lucido per rimuovere eventuali ossidi", afferma.
Ora che hanno dimostrato il passaggio alla temperatura ambiente e una maggiore efficienza energetica, i ricercatori intendono continuare a migliorare le prestazioni dei materiali magnetici di van der Waals.
"Il nostro prossimo traguardo è ottenere la commutazione senza la necessità di campi magnetici esterni. Il nostro obiettivo è migliorare la nostra tecnologia e ampliarla per portare la versatilità del magnete di van der Waals nelle applicazioni commerciali", afferma Sarkar.
Ulteriori informazioni: Shivam N. Kajale et al, Commutazione indotta dalla corrente di un ferromagnete di van der Waals a temperatura ambiente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45586-4
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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.
