זרימת הזרם החשמלי בלוח הגבישי התחתון (המייצג WTe2) שובר סימטרית מראה (זכוכית מנופצת), בעוד החומר עצמו שובר את סימטריית המראה האחרת (זכוכית סדוקה). לזרם הספין המתקבל יש קיטוב אנכי שמחליף את המצב המגנטי של הפרומגנט הדו-ממדי העליון. קרדיט: התמונה באדיבות החוקרים
MIT מדענים התמודדו עם מכשולים מרכזיים להכנסת חומרים מגנטיים דו-ממדיים לשימוש מעשי, והנחתו את הבמה לדור הבא של מחשבים חסכוניים באנרגיה.
בעולם, החישובים פורחים בקצב חסר תקדים, הניזון מהיתרונות של בינה מלאכותית. עם זאת, הדרישה המדהימה לאנרגיה של תשתית המחשוב בעולם הפכה לדאגה גדולה, ופיתוח מכשירי מחשוב חסכוניים באנרגיה הוא אתגר מוביל עבור הקהילה המדעית.
שימוש בחומרים מגנטיים לבניית התקני מחשוב כמו זיכרונות ומעבדים הופיע כשדרה מבטיחה ליצירת מחשבי "מעבר ל-CMOS", שיצרכו הרבה פחות אנרגיה בהשוואה למחשבים מסורתיים. ניתן להשתמש במיתוג מגנטיזציה במגנטים בחישוב באותו אופן שבו טרנזיסטור עובר מפתוח או סגור כדי לייצג את ה-0 וה-1 של הקוד הבינארי.
היתרונות של מגנטים דו מימדיים
בעוד שחלק ניכר מהמחקר בכיוון זה התמקד בשימוש בחומרים מגנטיים בתפזורת, סוג חדש של חומרים מגנטיים – הנקראים מגנטים של ואן דר ואלס דו מימדיים – מספק תכונות מעולות שיכולות לשפר את המדרגיות ויעילות האנרגיה של מכשירים מגנטיים כדי להפוך אותם מסחרית. בַּר חַיִים.
למרות שהיתרונות של מעבר לחומרים מגנטיים דו-ממדיים ברורים, ההזרמה המעשית שלהם למחשבים הופרעה על ידי כמה אתגרים מהותיים. עד לאחרונה, חומרים מגנטיים דו-ממדיים יכלו לפעול רק בטמפרטורות נמוכות מאוד, בדומה למוליכי-על. אז העלאת טמפרטורת ההפעלה שלהם מעל טמפרטורת החדר נותרה מטרה עיקרית. בנוסף, לשימוש במחשבים, חשוב שניתן יהיה לשלוט בהם חשמלית, ללא צורך בשדות מגנטיים. גישור על הפער הבסיסי הזה, שבו חומרים מגנטיים דו-ממדיים ניתנים למעבר חשמלי מעל טמפרטורת החדר ללא כל שדות מגנטיים, עלול לגרום לתרגום של מגנטים דו-ממדיים לדור הבא של מחשבים "ירוקים".
פריצת דרך של חוקרי MIT
צוות של חוקרי MIT השיג כעת אבן דרך קריטית זו על ידי תכנון "הטרומבנה השכבתי של ואן-דר-ואלס" שבו מגנט דו-ממדי ואן-דר-ואלס, גליום טלוריד ברזל, מחובר לחומר דו-ממדי אחר, טונגסטן דיטלוריד. במאמר בגישה פתוחה שפורסם לאחרונה ב התקדמות המדעהצוות מראה שניתן להחליף את המגנט בין המצבים 0 ל-1 פשוט על ידי הפעלת פולסים של זרם חשמלי על פני המכשיר הדו-שכבתי שלהם.
עתיד הספינטרוניקה: מניפולציה של ספינים בשכבות אטומיות ללא שדות מגנטיים חיצוניים. קרדיט: דבלינה סרקר
"המכשיר שלנו מאפשר מיתוג מגנטיזציה חזק ללא צורך בשדה מגנטי חיצוני, ופותח הזדמנויות חסרות תקדים להספק נמוך במיוחד וטכנולוגיית מחשוב בת קיימא עבור ביג דאטה ובינה מלאכותית", אומרת הסופרת הראשית דבלינה סרקר, עוזרת פיתוח קריירה של AT&T ב-AT&T. מעבדת המדיה והמרכז להנדסה נוירוביולוגית של MIT, וראש קבוצת המחקר ננו-קיברנטי ביוטרק. "יתרה מכך, המבנה השכבתי האטומי של המכשיר שלנו מספק יכולות ייחודיות כולל ממשק משופר ואפשרויות לכוונון מתח השער, כמו גם טכנולוגיות ספינטרוניקות גמישות ושקופות."
לסרקר מצטרף במסמך הסופר הראשון שיבם קג'אלה, סטודנט לתואר שני בקבוצת המחקר של סרקר במעבדת המדיה; Thanh Nguyen, סטודנט לתואר שני במחלקה למדע והנדסה גרעינית (NSE); Nguyen Tuan Hung, חוקר אורח MIT ב-NSE ועוזר פרופסור באוניברסיטת טוהוקו ביפן; ומינגדה לי, פרופסור חבר ל-NSE.
לשבור את סימטריות המראה
כאשר זרם חשמלי זורם דרך מתכות כבדות כמו פלטינה או טנטלום, האלקטרונים מופרדים בחומרים על סמך מרכיב הספין שלהם, תופעה הנקראת אפקט ה-Spin Hall, אומר Kajale. הדרך בה ההפרדה הזו מתרחשת תלויה בחומר, ובמיוחד בסימטריות שלו.
"ההמרה של זרם חשמלי לזרמי ספין במתכות כבדות נמצאת בלב השליטה במגנטים חשמלית", מציין קג'אלה. "למבנה המיקרוסקופי של חומרים בשימוש קונבנציונלי, כמו פלטינה, יש סוג של סימטרית מראה, המגבילה את זרמי הספין רק לקיטוב ספין במישור."
Kajale מסביר שיש לשבור שתי סימטריות מראה כדי לייצר רכיב ספין "מחוץ למישור" שניתן להעביר לשכבה מגנטית כדי לגרום למיתוג נטול שדה. "זרם חשמלי יכול 'לשבור' את סימטריית המראה לאורך מישור אחד בפלטינה, אבל המבנה הגבישי שלו מונע מסימטריית המראה להישבר במישור שני."
בניסויים הקודמים שלהם, החוקרים השתמשו בשדה מגנטי קטן כדי לשבור את מישור המראה השני. כדי להיפטר מהצורך בדחיפה מגנטית, קאג'לה וסארקר ועמיתיו חיפשו במקום חומר בעל מבנה שיכול לשבור את מישור המראה השני ללא עזרה מבחוץ. זה הוביל אותם לחומר דו-ממדי אחר, טונגסטן דיטלוריד. לטונגסטן דיטלוריד שהחוקרים השתמשו בו יש מבנה גבישי אורתורומבי. לחומר עצמו יש מישור מראה אחד שבור. לפיכך, על ידי הפעלת זרם לאורך ציר הסימטריה הנמוכה שלו (מקביל למישור המראה השבור), לזרם הספין המתקבל יש רכיב ספין מחוץ למישור שיכול לגרום ישירות למיתוג במגנט הדק האולטרה המממשק עם דיטלוריד טונגסטן.
"מכיוון שזה גם חומר דו מימדי של ואן דר ואלס, זה גם יכול להבטיח שכאשר אנו עורמים את שני החומרים יחד, נקבל ממשקים בתוליים וזרימה טובה של ספינים אלקטרונים בין החומרים", אומר קג'אלה.
להיות יותר חסכוני באנרגיה
זיכרון מחשב ומעבדים הבנויים מחומרים מגנטיים צורכים פחות אנרגיה מאשר מכשירים מסורתיים מבוססי סיליקון. והמגנטים של ואן דר ואלס יכולים להציע יעילות אנרגטית גבוהה יותר ויכולת מדרגיות טובה יותר בהשוואה לחומר מגנטי בתפזורת, מציינים החוקרים.
צפיפות הזרם החשמלי המשמשת להחלפת המגנט מתורגמת לכמות האנרגיה שמתפזרת במהלך המעבר. צפיפות נמוכה יותר פירושה חומר הרבה יותר חסכוני באנרגיה. "לעיצוב החדש יש את אחת מצפיפות הזרם הנמוכה ביותר בחומרים מגנטיים של ואן דר ואלס", אומר קג'אלה. "לעיצוב החדש הזה יש סדר גודל נמוך יותר מבחינת זרם המיתוג הנדרש בחומרים בתפזורת. זה מתורגם למשהו כמו שני סדרי גודל של שיפור ביעילות האנרגיה."
צוות המחקר בוחן כעת חומרים דומים של ואן דר ואלס בעלי סימטריה נמוכה כדי לראות אם הם יכולים להפחית עוד יותר את צפיפות הזרם. הם גם מקווים לשתף פעולה עם חוקרים אחרים כדי למצוא דרכים לייצר את מכשירי המתגים המגנטיים הדו-ממדיים בקנה מידה מסחרי.
עבודה זו בוצעה, בחלקה, באמצעות המתקנים ב-MIT.nano. הוא מומן על ידי מעבדת המדיה, הקרן הלאומית למדע של ארה"ב ומשרד האנרגיה האמריקאי.
