研究人员利用二维磁性材料进行节能计算

由磁性材料制成的实验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，可以让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能够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体的精确控制，朝这个方向迈出了重要的一步。

这是关键，因为由原子薄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，这使得它们很难在实验室外部署。

研究人员在室温下使用电流脉冲来切换装置的磁化方向。磁开关可用于计算，就像晶体管在打开和关闭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，通过开关可以存储数据。该研究发表在《自然通讯》上。

该团队向由新材料制成的磁铁发射了电子脉冲，这种新材料可以在更高的温度下维持其磁性。该实验利用了电子的一种称为自旋的基本特性，这使得电子的行为就像微小的磁铁一样。通过操纵撞击设备的电子自旋，研究人员可以改变其磁化强度。

麻省理工学院媒体实验室和中心的AT&T职业发展助理教授DeblinaSarkar表示：“与大块磁性器件相比，我们开发的异质结构器件需要低一个数量级的电流来切换范德华磁体。”神经生物学工程博士，纳米控制生物迷航实验室负责人，也是该技术论文的高级作者。“我们的设备也比其他无法在室温下切换的范德华磁体更节能。”

未来，这种磁铁可用于制造速度更快、耗电量更少的计算机。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加节能的处理器。

“尝试改进过去效果良好的材料存在很大的惯性。但我们已经证明，如果你做出彻底的改变，从重新考虑你正在使用的材料开始，你可能会得到更好的解决方案，”Shivam说Kajale是萨卡实验室的研究生，也是该论文的共同主要作者。

原子薄的优势

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的发展。例如，材料层可能只有1纳米厚，因此表面上的微小粗糙点可能会严重影响性能。

相比之下，范德华磁性材料本质上是分层的，其结构使得表面保持完美光滑，即使研究人员剥离层以制造更薄的设备也是如此。此外，一层中的原子不会泄漏到其他层中，从而使材料在堆叠在设备中时能够保留其独特的性能。

“就规模化和使这些磁性器件在商业应用中具有竞争力而言，范德华材料是最佳选择，”卡贾勒说。

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)的温度下工作。为了构建磁性计算机处理器或存储器，研究人员需要在室温下使用电流来操作磁铁。

为了实现这一目标，该团队专注于一种名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，这是不受欢迎的，因为提取稀土元素对环境特别具有破坏性。

Nguyen使用特殊技术小心地生长了这种二维材料的块状晶体。然后，Kajale使用六纳米铂层下方的纳米级碲化铁镓薄片制造了一个两层磁性装置。

他们手中的微型设备利用电子的一种称为自旋的固有特性来在室温下切换其磁化强度。

电子乒乓球

虽然电子在技术上并不像陀螺一样“旋转”，但它们确实具有相同的角动量。该旋转有一个方向，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向磁铁发射的电子的自旋。

就像一个球撞击另一个球时动量转移一样，电子在撞击二维磁性材料时会将其“自旋动量”转移到二维磁性材料上。根据它们的自旋方向，动量转移可以反转磁化强度。

从某种意义上说，这种转移使磁化强度从上到下旋转(反之亦然)，因此它被称为“扭矩”，就像自旋轨道扭矩切换一样。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转换，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。向设备注入过多电流会导致设备过热和消磁。

Kajale说，在实现这一里程碑的两年里，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。由于碲化铁镓氧化速度很快，因此制造必须在充满氮气的手套箱内进行。

“该设备仅暴露在空气中10或15秒，但即使在那之后，我也必须对其进行抛光以去除任何氧化物，”他说。

现在，他们已经展示了室温切换和更高的能源效率，研究人员计划继续提升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切换。我们的目标是增强我们的技术并扩大规模，将范德华磁体的多功能性带入商业应用，”萨卡说。