איור זה מראה זרם חשמלי הנשאב לפלטינה (הלוח התחתון), מה שגורם ליצירת זרם ספין אלקטרוני שמחליף את המצב המגנטי של הפרומגנט הדו-ממדי למעלה. הכדורים הצבעוניים מייצגים את האטומים בחומר הדו-ממדי. קרדיט: באדיבות החוקרים
א MIT הצוות שלט במדויק במגנט דק במיוחד בטמפרטורת החדר, מה שיכול לאפשר מעבדים וזיכרונות מחשב מהירים ויעילים יותר.
זיכרונות מחשב ומעבדים ניסיוניים הבנויים מחומרים מגנטיים צורכים הרבה פחות אנרגיה מאשר מכשירים מסורתיים מבוססי סיליקון. לחומרים מגנטיים דו-ממדיים, המורכבים משכבות בעובי אטומים ספורים בלבד, יש תכונות מדהימות שיכולות לאפשר למכשירים מבוססי מגנטי להשיג מהירות, יעילות ומדרגיות חסרי תקדים.
בעוד שיש להתגבר על מכשולים רבים עד שניתן יהיה לשלב את החומרים המגנטיים האלה כביכול ואן דר ואלס במחשבים מתפקדים, חוקרי MIT עשו צעד חשוב בכיוון זה על ידי הדגמת שליטה מדויקת במגנט של ואן דר ואלס בטמפרטורת החדר.
זה המפתח, מכיוון שבדרך כלל ניתן לשלוט במגנטים המורכבים מחומרי ואן דר וואלס דקים מבחינה אטומית רק בטמפרטורות קרות במיוחד, מה שמקשה על פריסה מחוץ למעבדה.
החוקרים השתמשו בפולסים של זרם חשמלי כדי לשנות את כיוון המגנטיזציה של המכשיר בטמפרטורת החדר. ניתן להשתמש במיתוג מגנטי בחישוב, באותו אופן שבו טרנזיסטור עובר בין פתוח לסגור כדי לייצג 0 ו-1 בקוד בינארי, או בזיכרון המחשב, כאשר המיתוג מאפשר אחסון נתונים.
הצוות ירה פרצי אלקטרונים לעבר מגנט העשוי מחומר חדש שיכול לקיים את המגנטיות שלו בטמפרטורות גבוהות יותר. הניסוי מינף מאפיין בסיסי של אלקטרונים המכונה ספין, שגורם לאלקטרונים להתנהג כמו מגנטים זעירים. על ידי מניפולציה של הספין של אלקטרונים שפוגעים במכשיר, החוקרים יכולים לשנות את המגנטיזציה שלו.
"המכשיר ההטרו-מבנה שפיתחנו דורש זרם חשמלי נמוך בסדר גודל כדי להחליף את המגנט של ואן דר ואלס, בהשוואה לזה שנדרש להתקנים מגנטיים בתפזורת", אומרת דבלינה סרקר, פרופסור לפיתוח קריירה של AT&T במעבדת המדיה והמרכז של MIT. להנדסה נוירוביולוגית, ראש מעבדת הביוטרק הננו-קיברנטית, והמחבר הבכיר של מאמר על טכניקה זו. "המכשיר שלנו גם חסכוני יותר באנרגיה ממגנטים אחרים של ואן דר ואלס שאינם מסוגלים לעבור בטמפרטורת החדר."
בעתיד, מגנט כזה יוכל לשמש לבניית מחשבים מהירים יותר שצורכים פחות חשמל. זה יכול גם לאפשר זיכרונות מחשב מגנטיים שאינם נדיפים, מה שאומר שהם לא מדליפים מידע כשהם מושבתים, או מעבדים שהופכים אלגוריתמי AI מורכבים לחסכוניים יותר באנרגיה.
"יש הרבה אינרציה סביב הניסיון לשפר חומרים שעבדו היטב בעבר. אבל הראינו שאם תבצע שינויים קיצוניים, החל בחשיבה מחודשת על החומרים שבהם אתה משתמש, אתה יכול לקבל פתרונות הרבה יותר טובים", אומר שיבם קג'אלה, סטודנט לתואר שני במעבדה של סרקר ומחבר משותף של המאמר.
ל-Kajale ו-Sarkar מצטרף הסופר המוביל המשותף Thanh Nguyen, סטודנט לתואר שני במחלקה למדע והנדסה גרעינית (NSE); Corson Chao, סטודנט לתואר שני במחלקה למדע והנדסת חומרים (DSME); דיוויד בונו, מדען מחקר DSME; Artittaya Boonkird, סטודנטית לתואר שני ב-NSE; ומינגדה לי, פרופסור חבר למדעי הגרעין והנדסה. המחקר פורסם לאחרונה ב תקשורת טבע.
יתרון אטום דק
שיטות לייצור שבבי מחשב זעירים בחדר נקי מחומרים בתפזורת כמו סיליקון עלולות לפגוע במכשירים. לדוגמה, שכבות החומר עשויות להיות בעובי של בקושי ננומטר אחד, כך שנקודות גסות זעירות על פני השטח יכולות להיות חמורות מספיק כדי לפגוע בביצועים.
לעומת זאת, החומרים המגנטיים של ואן דר ואלס הם בעלי שכבות ומבנה באופן מהותי כך שהמשטח נשאר חלק לחלוטין, גם כאשר החוקרים מקלפים שכבות כדי ליצור מכשירים דקים יותר. בנוסף, אטומים בשכבה אחת לא ידלפו לשכבות אחרות, מה שמאפשר לחומרים לשמור על תכונותיהם הייחודיות כאשר הם מוערמים במכשירים.
"במונחים של קנה מידה והפיכת המכשירים המגנטיים הללו לתחרותיים עבור יישומים מסחריים, חומרי ואן דר ואלס הם הדרך ללכת", אומר קג'אלה.
אבל יש מלכוד. סוג חדש זה של חומרים מגנטיים הופעל בדרך כלל רק בטמפרטורות מתחת ל-60 קלווין (-351 מעלות פרנהייט). כדי לבנות מעבד מחשב או זיכרון מגנטי, החוקרים צריכים להשתמש בזרם חשמלי כדי להפעיל את המגנט בטמפרטורת החדר.
כדי להשיג זאת, הצוות התמקד בחומר מתפתח בשם ברזל גליום טלוריד. לחומר דק אטומי זה יש את כל התכונות הדרושות למגנטיות יעילה בטמפרטורת החדר ואינו מכיל יסודות אדמה נדירים, שאינם רצויים מכיוון שחילוץ שלהם הרסני במיוחד לסביבה.
Nguyen גידל בקפידה גבישים בתפזורת של חומר דו-ממדי זה בטכניקה מיוחדת. לאחר מכן, Kajale ייצר מכשיר מגנטי דו-שכבתי באמצעות ננומטרי פתיתי ברזל גליום טלוריד מתחת לשכבה של שישה ננומטר של פלטינה.
מכשיר זעיר ביד, הם השתמשו בתכונה מהותית של אלקטרונים המכונה ספין כדי לשנות את המגנטיות שלו בטמפרטורת החדר.
פינג פונג אלקטרוני
בעוד אלקטרונים מבחינה טכנית לא "מסתובב" כמו חלק העליון, יש להם אותו סוג של תנע זוויתי. לסיבוב הזה יש כיוון, למעלה או למטה. החוקרים יכולים למנף תכונה המכונה צימוד ספין-מסלול כדי לשלוט בספינים של אלקטרונים שהם יורים על המגנט.
באותו אופן שבו מומנטום מועבר כאשר כדור אחד פוגע באחר, אלקטרונים יעבירו את "תנופת הסיבוב" שלהם לחומר המגנטי הדו-ממדי כאשר הם פוגעים בו. בהתאם לכיוון הסיבובים שלהם, העברת המומנטום יכולה להפוך את המגנטיזציה.
במובן מסוים, העברה זו מסובבת את המגנטיזציה מלמעלה למטה (או להיפך), ולכן היא נקראת "מומנט", כמו במעבר מומנט סיבובי סיבוב. הפעלת דופק חשמלי שלילי גורם למגנטיזציה לרדת כלפי מטה, בעוד שפולס חיובי גורם לו לעלות כלפי מעלה.
החוקרים יכולים לעשות את המעבר הזה בטמפרטורת החדר משתי סיבות: התכונות המיוחדות של גליום ברזל טלורידי והעובדה שהטכניקה שלהם משתמשת בכמויות קטנות של זרם חשמלי. שאיבת זרם רב מדי לתוך המכשיר תגרום לו להתחמם יתר על המידה ולבטל מגנטיות.
הצוות התמודד עם אתגרים רבים במהלך השנתיים שנדרשו כדי להשיג את אבן הדרך הזו, אומר קג'אלה. מציאת החומר המגנטי הנכון היה רק חצי מהקרב. מכיוון שגליום טלוריד ברזל מתחמצן במהירות, הייצור חייב להיעשות בתוך תא כפפות מלא בחנקן.
"המכשיר נחשף לאוויר רק 10 או 15 שניות, אבל גם לאחר מכן אני צריך לעשות שלב שבו אני מבריק אותו כדי להסיר תחמוצת כל שהיא", הוא אומר.
כעת, לאחר שהדגימו החלפת טמפרטורת החדר ויעילות אנרגטית גבוהה יותר, החוקרים מתכננים להמשיך לדחוף את הביצועים של חומרים מגנטיים של ואן דר ואלס.
"אבן הדרך הבאה שלנו היא להשיג מיתוג ללא צורך בשדות מגנטיים חיצוניים. המטרה שלנו היא לשפר את הטכנולוגיה שלנו ולהגדיל את קנה המידה כדי להביא את הרבגוניות של מגנט ואן דר ואלס ליישומים מסחריים", אומר סרקר.
עבודה זו בוצעה, בחלקה, תוך שימוש במתקנים ב-MIT.Nano ובמרכז אוניברסיטת הרווארד למערכות ננומטריות.
