Empuje imanes de capas atómicas hacia computadoras ecológicas

A nivel mundial, la informática está experimentando un auge a un ritmo sin precedentes, impulsada por las ventajas de la inteligencia artificial. Sin embargo, la asombrosa demanda de energía de la infraestructura informática mundial se ha convertido en una gran preocupación, y el desarrollo de dispositivos informáticos más eficientes energéticamente representa un desafío importante para la comunidad científica.

El uso de materiales magnéticos para construir dispositivos informáticos como memorias y procesadores se ha convertido en una forma prometedora de crear computadoras «más allá de CMOS», que utilizan mucha menos energía que las computadoras tradicionales. La conmutación de la magnetización en un imán se puede utilizar en el cálculo de la misma manera que un transistor cambia de abierto a cerrado para representar los 0 y 1 del código binario.

Si bien gran parte de la investigación en esta dirección se ha centrado en el uso de materiales magnéticos a granel, una nueva clase de materiales magnéticos (llamados imanes 2D de van der Waals) ofrece propiedades superiores que pueden mejorar la escalabilidad y la eficiencia energética de los dispositivos magnéticos para hacerlos comercialmente viables.

Aunque los beneficios de cambiar a materiales magnéticos 2D son claros, su introducción práctica en las computadoras se ha visto obstaculizada por algunos desafíos fundamentales. Hasta hace poco, los materiales magnéticos 2D sólo funcionaban a temperaturas muy bajas, al igual que los superconductores. Por lo tanto, el objetivo principal seguía siendo elevar las temperaturas de funcionamiento por encima de la temperatura ambiente. Además, para su uso en ordenadores, es importante que puedan controlarse eléctricamente, sin necesidad de campos magnéticos.

Llenar este vacío fundamental, donde los materiales magnéticos 2D pueden conmutarse eléctricamente por encima de la temperatura ambiente sin ningún campo magnético, podría traducir los imanes 2D en la próxima generación de computadoras «verdes».

Un equipo de investigadores del MIT ha logrado esta hazaña crucial al diseñar un dispositivo van der Waals de «heteroestructura atómica en capas» en el que un imán bidimensional de van der Waals, el telururo de hierro y galio, está unido a otro material bidimensional, el ditellururo de tungsteno. . . En un artículo de acceso abierto publicado en Avance de la cienciaEl equipo demostró que los imanes se pueden cambiar entre los estados 0 y 1 simplemente aplicando pulsos de corriente eléctrica a través de su dispositivo de dos capas.

«Nuestro dispositivo permite una conmutación de magnetización robusta sin la necesidad de un campo magnético externo, lo que abre oportunidades sin precedentes para tecnología informática de potencia ultrabaja y ambientalmente sostenible para big data e inteligencia artificial», dice la autora principal Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional en AT&T. Media Lab y Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT, y jefe del grupo de investigación Nano-Cybernetic Biotrek. «Además, la estructura de capas atómicas de nuestro dispositivo proporciona capacidades únicas que incluyen capacidades mejoradas de interfaz y ajuste de voltaje de puerta, así como tecnologías espintrónicas flexibles y transparentes».

A Sarkar se unen en el artículo el primer autor Shivam Kajali, un estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Sarkar en el Media Lab; Thanh Nguyen, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE); Nguyen Tuan Hung, académico visitante del MIT en NSE y profesor asistente en la Universidad de Tohoku en Japón; y Mingda Li, profesora asociada de NSE.

Rompiendo simetrías especulares

Cuando la corriente eléctrica fluye a través de metales pesados ​​como el platino o el tantalio, los electrones de los materiales se separan en función de su componente de espín, un fenómeno llamado efecto Hall de espín, dice Cagalli. La forma en que se produce esta separación depende del material, y especialmente de sus simetrías.

«La conversión de la corriente eléctrica en corrientes circulantes en los metales pesados ​​es la esencia del control eléctrico de los imanes», señala Cagalli. «La microestructura de los materiales utilizados tradicionalmente, como el platino, tiene una especie de simetría especular, que restringe las corrientes de espín sólo a la polarización de espín en el plano».

Cagalli muestra que la simetría del espejo debe romperse para producir un componente de espín «fuera del plano» que pueda transferirse a una capa magnética para inducir una conmutación sin campo. «Una corriente eléctrica puede 'romper' la simetría del espejo a lo largo de un plano del platino, pero su estructura cristalina evita que la simetría del espejo se rompa en el segundo plano».

En sus experimentos anteriores, los investigadores utilizaron un pequeño campo magnético para romper el segundo nivel del espejo. Para eliminar la necesidad de un impulso magnético, Cajali, Sarkar y sus colegas buscaron un material con una estructura que pudiera romper el segundo nivel del espejo sin ayuda externa. Esto los llevó a otro material 2D, el diteluuro de tungsteno.

El ditelururo de tungsteno utilizado por los investigadores tiene una estructura cristalina específica. El material en sí tiene un plano de espejo roto. Por lo tanto, al aplicar corriente a lo largo de su eje de hiposimetría (paralelo al plano del espejo roto), la corriente de espín resultante tiene un componente de espín fuera del plano que puede inducir directamente la conmutación en el imán ultrafino interconectado con ditelururo de tungsteno.

«Como también es un material 2D de Van der Waals, también puede garantizar que cuando apilemos los dos materiales, obtengamos interfaces puras y un buen flujo de electrones circulando entre los materiales», dice Cagalli.

Sea más eficiente energéticamente

La memoria de las computadoras y los procesadores fabricados con materiales magnéticos consumen menos energía que los dispositivos tradicionales basados ​​en silicio. Los investigadores señalan que los imanes de Van der Waals podrían proporcionar una mayor eficiencia energética y una mejor escalabilidad en comparación con los materiales magnéticos a granel.

La densidad de corriente eléctrica utilizada para conmutar un imán se traduce en la cantidad de energía disipada durante la conmutación. Una densidad más baja significa un material con mayor eficiencia energética.

«El nuevo diseño tiene una de las densidades de corriente de Van der Waals más bajas en materiales magnéticos», dice Cagalli. «Este nuevo diseño tiene un orden de magnitud menor en términos de corriente de conmutación requerida en materiales a granel. Esto se traduce en algo así como una mejora en la eficiencia energética de dos órdenes de magnitud».

El equipo de investigación ahora está analizando materiales similares de Van der Waals de baja simetría para ver si pueden reducir aún más la densidad de corriente. También esperan colaborar con otros investigadores para encontrar formas de fabricar dispositivos de conmutación magnética 2D a escala comercial.