研究人员利用 2D 磁性材料进行节能计算

由磁性材料制成的实验性计算机存储器和处理器比传统的硅基设备消耗的能量要少得多。二维磁性材料由只有几个原子厚的层组成，具有令人难以置信的特性，可以使基于磁性的设备实现前所未有的速度、效率和可扩展性。

虽然在这些所谓的范德华磁性材料可以集成到功能计算机中之前必须克服许多障碍，但麻省理工学院的研究人员通过展示在室温下对范德华磁铁的精确控制，朝着这个方向迈出了重要的一步。

这是关键，因为由原子薄的范德华材料组成的磁体通常只能在极冷的温度下进行控制，因此很难在实验室外部署。

研究人员使用电流脉冲在室温下切换设备的磁化方向。磁开关可用于计算，就像晶体管在开路和闭路之间切换以表示二进制代码中的 0 和 1 一样，或者在计算机内存中，开关可以存储数据。

该团队向由一种新材料制成的磁铁发射电子爆发，这种磁铁可以在更高的温度下保持其磁性。该实验利用了电子的基本特性，称为自旋，这使得电子表现得像微小的磁铁。通过操纵撞击设备的电子自旋，研究人员可以切换其磁化强度。

“与大容量磁性设备所需的电流相比，我们开发的异质结构设备需要低一个数量级的电流来切换范德华磁铁，”麻省理工学院媒体实验室和神经生物工程中心的AT&T职业发展助理教授Deblina Sarkar说，纳米控制论Biotrek实验室负责人， 以及一篇关于这项技术的论文的资深作者。“我们的设备也比其他无法在室温下开关的范德华磁铁更节能。”

将来，这种磁铁可以用来制造消耗更少电力的更快的计算机。它还可以启用非易失性的磁性计算机存储器，这意味着它们在断电时不会泄漏信息，或者使复杂的人工智能算法更节能的处理器。

“试图改进过去行之有效的材料存在很多惯性。但我们已经证明，如果你做出彻底的改变，从重新思考你正在使用的材料开始，你可能会得到更好的解决方案，“Sarkar实验室的研究生、该论文的共同主要作者Shivam Kajale说。

Kajale 和 Sarkar 与共同主要作者 Thanh Nguyen 一起撰写了这篇论文，他是核科学与工程系 （NSE） 的研究生;Corson Chao，材料科学与工程系（DSME）研究生;大卫·波诺（David Bono），DSME研究科学家;Artittaya Boonkird，NSE研究生;以及核科学与工程副教授李明达。这项研究本周发表在 《自然通讯》上。

原子级薄的优势

在洁净室中用硅等散装材料制造微型计算机芯片的方法可能会阻碍设备。例如，材料层可能只有 1 纳米厚，因此表面上微小的粗糙斑点可能严重到足以降低性能。

相比之下，范德华磁性材料本质上是分层和结构的，即使研究人员剥离层以制造更薄的器件，表面也能保持完全光滑。此外，一层中的原子不会泄漏到其他层中，使材料在堆叠在设备中时能够保持其独特的特性。

“在扩展和使这些磁性器件在商业应用中具有竞争力方面，范德华材料是必经之路，”Kajale说。

但有一个问题。这种新型磁性材料通常只能在低于 60 开尔文（-351 华氏度）的温度下运行。为了构建磁性计算机处理器或存储器，研究人员需要使用电流在室温下操作磁铁。

为了实现这一目标，该团队专注于一种称为碲化铁镓的新兴材料。这种原子薄的材料具有有效室温磁性所需的所有特性，并且不含稀土元素，这是不可取的，因为提取它们对环境特别具有破坏性。

Nguyen使用特殊技术小心翼翼地培养了这种2D材料的块状晶体。然后，Kajale在六纳米铂层下使用纳米级的碲化铁镓薄片制造了一种两层磁性器件。

他们手里拿着一个很小的装置，利用一种称为自旋的电子的固有特性来改变其在室温下的磁化强度。

电子乒乓球

虽然电子在技术上不像陀螺那样“旋转”，但它们确实具有相同的角动量。这个旋转有一个方向，要么向上，要么向下。研究人员可以利用一种称为自旋轨道耦合的特性来控制它们在磁铁上发射的电子的自旋。

就像一个球击中另一个球时传递动量的方式一样，电子在撞击二维磁性材料时会将其“自旋动量”传递到二维磁性材料上。根据它们的自旋方向，动量转移可以逆转磁化强度。

从某种意义上说，这种传递使磁化强度从上到下旋转（反之亦然），因此它被称为“扭矩”，就像在自旋轨道扭矩切换中一样。施加负电脉冲会导致磁化强度下降，而正脉冲会导致磁化强度上升。

研究人员可以在室温下进行这种切换，原因有两个：碲化铁镓的特殊性质以及他们的技术使用少量电流的事实。向设备中泵入过多的电流会导致其过热和退磁。

Kajale说，在实现这一里程碑的两年时间里，该团队面临着许多挑战。找到合适的磁性材料只是成功的一半。由于碲化铁镓氧化迅速，因此必须在装满氮气的手套箱内进行制造。

“该设备只暴露在空气中 10 或 15 秒，但即使在那之后，我也必须做一个步骤来抛光它以去除任何氧化物，”他说。

现在他们已经证明了室温开关和更高的能源效率，研究人员计划继续推动磁性范德华材料的性能。

“我们的下一个里程碑是在不需要任何外部磁场的情况下实现开关。我们的目标是增强我们的技术并扩大规模，将范德华磁铁的多功能性带入商业应用，“Sarkar 说。

这项工作部分是使用麻省理工学院的设施进行的。纳米和哈佛大学纳米系统中心。