Des chercheurs exploitent des matériaux magnétiques 2D pour une informatique économe en énergie

Les mémoires informatiques expérimentales et les processeurs construits à partir de matériaux magnétiques consomment beaucoup moins d’énergie que les dispositifs traditionnels à foundation de silicium. Les matériaux magnétiques bidimensionnels, composés de couches de seulement quelques atomes d’épaisseur, possèdent des propriétés incroyables qui pourraient permettre aux dispositifs magnétiques d’atteindre une vitesse, une efficacité et une évolutivité sans précédent.

Alors que de nombreux road blocks doivent être surmontés avant que ces matériaux magnétiques de Van der Waals puissent être intégrés dans des ordinateurs fonctionnels, les chercheurs du MIT ont fait un pas vital dans cette course en démontrant le contrôle précis d'un aimant de Van der Waals à température ambiante.

Ceci est essentiel, auto les aimants composés de matériaux de Van der Waals atomiquement minces ne peuvent généralement être contrôlés qu’à des températures extrêmement froides, ce qui les rend difficiles à déployer en dehors d’un laboratoire.

Les chercheurs ont utilisé des impulsions de courant électrique pour changer la path de magnétisation de l'appareil à température ambiante. La commutation magnétique peut être utilisée dans le calcul, de la même manière qu'un transistor bascule entre ouvert et fermé pour représenter les et les 1 en code binaire, ou dans la mémoire de l'ordinateur, où la commutation permet le stockage de données.

L’équipe a tiré des rafales d’électrons sur un aimant fabriqué à partir d’un nouveau matériau capable de maintenir son magnétisme à des températures furthermore élevées. L’expérience a exploité une propriété fondamentale des électrons connue sous le nom de spin, qui fait que les électrons se comportent comme de minuscules aimants. En manipulant le spin des électrons qui frappent l’appareil, les chercheurs peuvent modifier sa magnétisation.

“Le dispositif à hétérostructure que nous avons développé nécessite un courant électrique d'un ordre de grandeur inférieur pour commuter l'aimant de Van der Waals, par rapport à celui requis pour les dispositifs magnétiques en vrac”, explique Deblina Sarkar, professeur adjoint de développement de carrière chez AT&T au MIT Media Lab and Center. pour le génie neurobiologique, chef du laboratoire Nano-Cybernetic Biotrek et auteur principal d'un short article sur cette system. “Notre appareil est également in addition économe en énergie que les autres aimants de Van der Waals qui ne peuvent pas commuter à température ambiante.”

À l’avenir, un tel aimant pourrait être utilisé pour construire des ordinateurs in addition rapides et consommant moins d’électricité. Il pourrait également permettre des mémoires informatiques magnétiques non volatiles, ce qui signifie qu'elles ne divulguent pas d'informations lorsqu'elles sont hors pressure, ou des processeurs qui rendent les algorithmes d'IA complexes furthermore économes en énergie.

vous pouvez potentiellement obtenir de bien meilleures methods”, déclare Shivam. Kajale, étudiant diplômé du laboratoire de Sarkar et co-auteur principal de l'write-up.

Kajale et Sarkar sont rejoints sur l'article par le co-auteur principal Thanh Nguyen, étudiant diplômé au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires (NSE)  Corson Chao, étudiant diplômé au Département de science et d'ingénierie des matériaux (DSME)  David Bono, chercheur scientifique au DSME  Artittaya Boonkird, étudiante diplômée en NSE  et Mingda Li, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires. La recherche paraît cette semaine dans Character Communications.

Un avantage atomiquement mince

Les méthodes permettant de fabriquer de minuscules puces informatiques dans une salle blanche à partir de matériaux en vrac comme le silicium peuvent gêner les appareils. Par exemple, les couches de matériau peuvent avoir à peine 1 nanomètre d'épaisseur, de sorte que de minuscules aspérités sur la surface area peuvent être suffisamment graves pour dégrader les performances.

En revanche, les matériaux magnétiques de Van der Waals sont intrinsèquement superposés et structurés de telle manière que la floor reste parfaitement lisse, même lorsque les chercheurs décollent les couches pour fabriquer des dispositifs moreover fins. De as well as, les atomes d'une couche ne fuiront pas dans les autres couches, ce qui permet aux matériaux de conserver leurs propriétés uniques lorsqu'ils sont empilés dans des appareils.

“En termes de mise à l'échelle et de rendre ces dispositifs magnétiques compétitifs pour les apps commerciales, les matériaux van der Waals sont la voie à suivre”, déclare Kajale.

Mais il y a un piège. Cette nouvelle classe de matériaux magnétiques ne fonctionne généralement qu'à des températures inférieures à 60 kelvins (-351 degrés Fahrenheit). Pour construire un processeur informatique ou une mémoire magnétique, les chercheurs doivent utiliser du courant électrique pour faire fonctionner l’aimant à température ambiante.

Pour y parvenir, l’équipe s’est concentrée sur un matériau émergent appelé tellurure de fer et de gallium. Ce matériau atomiquement mince possède toutes les propriétés nécessaires à un magnétisme efficace à température ambiante et ne contient pas d'éléments de terres rares, indésirables car or truck leur extraction est particulièrement destructrice pour l'environnement.

Nguyen a soigneusement développé des cristaux massifs de ce matériau 2D en utilisant une approach spéciale. Ensuite, Kajale a fabriqué un dispositif magnétique à deux couches en utilisant des flocons nanométriques de tellurure de fer et de gallium sous une couche de platine de 6 nanomètres.

Petit appareil en primary, ils ont utilisé une propriété intrinsèque des électrons connue sous le nom de spin pour commuter sa magnétisation à température ambiante.

Ping-pong électronique

Bien que les électrons ne « tournent » techniquement pas comme une toupie, ils possèdent le même form de moment cinétique. Cette rotation a une way, vers le haut ou vers le bas. Les chercheurs peuvent exploiter une propriété connue sous le nom de couplage spin-orbite pour contrôler les spins des électrons qu’ils tirent sur l’aimant.

De la même manière que l'impulsion est transférée lorsqu'une balle en heurte une autre, les électrons transfèrent leur « impulsion de rotation » au matériau magnétique 2D lorsqu'ils le frappent. Selon la course de leurs spins, ce transfert de quantité de mouvement peut inverser la magnétisation.

Dans un sens, ce transfert fait tourner la magnétisation de haut en bas (ou vice versa), c'est pourquoi on l'appelle un « couple », comme dans la commutation de couple spin-orbite. L’application d’une impulsion électrique négative fait descendre la magnétisation, tandis qu’une impulsion favourable la fait monter.

Les chercheurs peuvent effectuer cette commutation à température ambiante pour deux raisons : les propriétés particulières du tellurure de fer et de gallium et le fait que leur strategy utilise de petites quantités de courant électrique. Pomper trop de courant dans l’appareil entraînerait une surchauffe et une démagnétisation.

L'équipe a dû relever de nombreux défis au cours des deux années nécessaires pour atteindre cette étape importante, explique Kajale. Trouver le bon matériau magnétique ne représentait que la moitié de la bataille. Le tellurure de fer et de gallium s’oxydant rapidement, la fabrication doit être effectuée dans une boîte à gants remplie d’azote.

“L'appareil n'est exposé à l'air que pendant 10 ou 15 secondes, mais même après cela, je dois procéder à une étape de polissage pour éliminer tout oxyde”, explique-t-il.

Maintenant qu’ils ont démontré une commutation à température ambiante et une additionally grande efficacité énergétique, les chercheurs prévoient de continuer à améliorer les performances des matériaux magnétiques de Van der Waals.

“Notre prochaine étape consiste à parvenir à une commutation sans avoir besoin de champs magnétiques externes. Notre objectif est d'améliorer notre technologie et de la développer pour apporter la polyvalence de l'aimant de van der Waals aux programs commerciales”, a déclaré Sarkar.

Ce travail a été réalisé en partie à l’aide des installations du MIT.Nano et du Center for Nanoscale Techniques de l’Université Harvard.