将原子分层磁铁推向绿色计算机

在全球范围内，在人工智能的推动下，计算正在以前所未有的速度蓬勃发展。因此，世界计算基础设施的惊人能源需求已成为一个主要问题，而开发更节能的计算设备是科学界面临的主要挑战。

使用磁性材料来构建存储器和处理器等计算设备已成为创建“超越CMOS”计算机的有前途的途径，与传统计算机相比，计算机使用的能量要少得多。磁体中的磁化开关可用于计算，就像晶体管从开路或闭路切换以表示二进制代码的 0 和 1 一样。

虽然这个方向的大部分研究都集中在使用块状磁性材料上，但一类新的磁性材料（称为二维范德华磁体）提供了卓越的性能，可以提高磁性设备的可扩展性和能源效率，使其具有商业可行性。

尽管转向二维磁性材料的好处是显而易见的，但它们在计算机中的实际应用受到一些基本挑战的阻碍。直到最近，二维磁性材料只能在非常低的温度下工作，就像超导体一样。因此，使其工作温度高于室温仍然是主要目标。此外，对于计算机的使用，重要的是它们可以进行电气控制，而无需磁场。弥合这一基本差距，即2D磁性材料可以在没有任何磁场的情况下在室温以上进行电气切换，可能会将2D磁体转化为下一代“绿色”计算机。

麻省理工学院的一组研究人员现在通过设计一种“范德华原子分层异质结构”装置实现了这一关键的里程碑，其中二维范德华磁体碲化铁镓与另一种二维材料二碲化钨界面。在3月15日发表在 《科学进展》（Science Advances）上的一篇开放获取论文中， 该团队表明，只需在两层设备上施加电流脉冲，磁铁就可以在0和1状态之间切换。

“我们的设备在不需要外部磁场的情况下实现了强大的磁化开关，为大数据和人工智能的超低功耗和环境可持续计算技术开辟了前所未有的机会，”主要作者、麻省理工学院媒体实验室和神经生物学工程中心的AT&T职业发展助理教授Deblina Sarkar说。此外，我们器件的原子分层结构提供了独特的功能，包括改进的接口和栅极电压可调性的可能性，以及灵活透明的自旋电子技术。

Sarkar 的第一作者 Shivam Kajale 加入了这篇论文，他是媒体实验室 Sarkar 研究小组的研究生;Thanh Nguyen，核科学与工程系（NSE）研究生;Nguyen Tuan Hung，麻省理工学院访问学者，日本东北大学助理教授;以及NSE副教授李明达。

打破镜像对称性

当电流流过铂或钽等重金属时，电子会根据它们的自旋成分在材料中分离，这种现象称为自旋霍尔效应，Kajale说。这种分离发生的方式取决于材料，尤其是其对称性。

“将电流转换为重金属中的自旋电流是电控制磁铁的核心，”Kajale指出。“传统材料（如铂）的微观结构具有一种镜面对称性，这将自旋电流限制在平面内自旋极化。

Kajale解释说，必须打破两个镜像对称性才能产生一个“面外”自旋分量，该分量可以转移到磁层以诱导无场切换。“电流可以’破坏’铂金中一个平面上的镜像对称性，但其晶体结构可以防止镜像对称性在第二个平面上被破坏。

在他们早期的实验中，研究人员使用一个小磁场来打破第二个镜面。为了摆脱对磁力推动的需要，Kajale和Sarkar及其同事转而寻找一种结构的材料，这种材料可以在没有外部帮助的情况下破坏第二个镜面。这使他们找到了另一种二维材料，二碲化钨。研究人员使用的二碲化钨具有斜方晶体结构。材料本身有一个破碎的镜面。因此，通过沿其低对称轴（平行于破碎的镜面）施加电流，产生的自旋电流具有面外自旋分量，可以直接诱导与二碲化钨界面的超薄磁体的开关。

“因为它也是一种二维范德华材料，它还可以确保当我们将两种材料堆叠在一起时，我们会得到原始的界面和材料之间的良好电子自旋流动，”Kajale说。

提高能源效率

由磁性材料制成的计算机内存和处理器比传统的硅基设备消耗更少的能量。研究人员指出，与块状磁性材料相比，范德华磁体可以提供更高的能源效率和更好的可扩展性。

用于开关磁铁的电流密度转化为开关过程中耗散的能量。更低的密度意味着更节能的材料。“新设计是范德华磁性材料中电流密度最低的之一，”Kajale说。“这种新设计在散装材料所需的开关电流方面降低了一个数量级。这意味着能源效率提高了两个数量级。

研究小组现在正在研究类似的低对称范德华材料，看看它们是否可以进一步降低电流密度。他们还希望与其他研究人员合作，找到以商业规模制造2D磁性开关设备的方法。

这项工作部分是使用麻省理工学院的设施进行的。它由媒体实验室、美国国家科学基金会和美国能源部资助。