این تصویر یک جریان الکتریکی را نشان می‌دهد که به پلاتین (صفحه پایینی) پمپ می‌شود و در نتیجه یک جریان اسپین الکترون ایجاد می‌شود که حالت مغناطیسی فرومغناطیس دو بعدی بالا را تغییر می‌دهد. کره های رنگی نشان دهنده اتم های موجود در ماده دو بعدی هستند. اعتبار: با حسن نیت از محققین
ان MIT این تیم دقیقاً یک آهنربای بسیار نازک را در دمای اتاق کنترل می‌کند که می‌تواند پردازنده‌های سریع‌تر و کارآمدتر و حافظه‌های رایانه را فعال کند.
حافظه‌های کامپیوتری و پردازنده‌های آزمایشی که از مواد مغناطیسی ساخته شده‌اند، نسبت به دستگاه‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون، انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند. مواد مغناطیسی دو بعدی که از لایه‌هایی با ضخامت چند اتم تشکیل شده‌اند، ویژگی‌های باورنکردنی دارند که می‌توانند دستگاه‌های مبتنی بر مغناطیسی را قادر به دستیابی به سرعت، کارایی و مقیاس‌پذیری بی‌سابقه‌ای کنند.
در حالی که برای ادغام این مواد مغناطیسی واندروالس در رایانه‌های کارآمد باید بر موانع بسیاری غلبه کرد، محققان MIT با نشان دادن کنترل دقیق آهنربای واندروالس در دمای اتاق، گام مهمی در این مسیر برداشته‌اند.
این امر بسیار مهم است زیرا آهنرباهای ساخته شده از مواد نازک اتمی واندروالس معمولاً فقط در دماهای بسیار پایین قابل کنترل هستند و به کارگیری آنها در خارج از آزمایشگاه دشوار می شود.
محققان از پالس های جریان الکتریکی برای تغییر جهت مغناطیسی دستگاه در دمای اتاق استفاده کردند. سوئیچینگ مغناطیسی را می توان در محاسبات به همان روشی استفاده کرد که یک ترانزیستور بین باز و بسته سوئیچ می کند تا 0 و 1 را در کد باینری یا در حافظه کامپیوتر نشان دهد، جایی که سوئیچینگ اجازه ذخیره سازی داده ها را می دهد.
این تیم فوران های الکترون را به سمت آهنربایی که از ماده جدیدی ساخته شده بود شلیک کرد که می تواند مغناطیس خود را در دماهای بالاتر حفظ کند. این آزمایش از خاصیت بنیادی الکترون ها به نام اسپین استفاده می کند که باعث می شود الکترون ها مانند آهنرباهای کوچک رفتار کنند. با دستکاری اسپین الکترون هایی که به دستگاه برخورد می کنند، محققان می توانند مغناطش آن را تغییر دهند.
دبلینا سارکار، استادیار توسعه شغلی AT&T در آزمایشگاه رسانه و مرکز مهندسی عصبی زیست‌شناسی MIT، گفت: «دستگاه ناهم‌ساختاری که ما توسعه داده‌ایم به یک مرتبه جریان الکتریکی کمتری برای تعویض آهنربای واندروالس نسبت به دستگاه‌های مغناطیسی حجیم نیاز دارد. ، رئیس آزمایشگاه Nano-Cybernetic Biotrek و نویسنده ارشد مقاله در مورد این تکنیک. دستگاه ما همچنین نسبت به سایر آهنرباهای واندروالس که نمی توانند در دمای اتاق جابجا شوند، انرژی کارآمدتری دارد.
در آینده، از چنین آهنربایی می توان برای ساخت رایانه های سریع تری که برق کمتری مصرف می کنند، استفاده کرد. همچنین می‌تواند حافظه‌های مغناطیسی رایانه‌ای را فعال کند که غیرفرار هستند، به این معنی که هنگام خاموش شدن اطلاعات درز نمی‌کنند، یا پردازنده‌هایی که الگوریتم‌های پیچیده هوش مصنوعی را کارآمدتر می‌کنند.
«تحرک زیادی در تلاش برای بهبود موادی که در گذشته به خوبی کار کرده اند وجود دارد. اما ما نشان داده‌ایم که اگر تغییرات اساسی ایجاد کنید، با تجدیدنظر در موادی که استفاده می‌کنید، می‌توانید به طور بالقوه راه‌حل‌های بسیار بهتری دریافت کنید.”
تان نگوین، یک دانشجوی فارغ التحصیل در دپارتمان علوم و مهندسی هسته ای (NSE) به کاجاله و سرکار در مقاله پیوسته اند. کورسون چائو، دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه علوم و مهندسی مواد (DSME)؛ دیوید بونو، محقق DSME؛ Artittaya Boonkird، دانشجوی NSE؛ و مینگدا لی، دانشیار علوم و مهندسی هسته ای. این تحقیق اخیرا در منتشر شده است ارتباطات طبیعت.
مزیت نازک اتمی
روش‌های Cleanroom برای تولید تراشه‌های کامپیوتری کوچک از مواد حجیم مانند سیلیکون می‌تواند در دستگاه‌ها اختلال ایجاد کند. به عنوان مثال، ضخامت لایه‌های مواد به 1 نانومتر می‌رسد، بنابراین زبری سطح کوچک می‌تواند به اندازه کافی شدید باشد که عملکرد را کاهش دهد.
در مقابل، مواد مغناطیسی واندروالس به صورت لایه‌بندی داخلی و ساختاری به گونه‌ای هستند که حتی زمانی که محققان لایه‌ها را برای ساختن دستگاه‌های نازک‌تر جدا می‌کنند، سطح کاملاً صاف باقی می‌ماند. علاوه بر این، اتم‌های یک لایه به لایه‌های دیگر نشت نخواهند کرد و به مواد اجازه می‌دهد تا خواص منحصر به فرد خود را در هنگام چیدمان در دستگاه‌ها حفظ کنند.
Kajale می‌گوید: «از نظر مقیاس‌پذیری و رقابتی کردن این دستگاه‌های مغناطیسی برای کاربردهای تجاری، مواد واندروالس راهگشا هستند.
اما یک گرفتاری وجود دارد. این دسته جدید از مواد مغناطیسی معمولاً فقط در دمای زیر 60 کلوین (351- درجه) مورد استفاده قرار می گیرند. فارنهایت). برای ساخت یک پردازنده یا حافظه مغناطیسی کامپیوتر، محققان باید از جریان الکتریکی برای کار با آهنربا در دمای اتاق استفاده کنند.
برای دستیابی به این هدف، تیم بر روی یک ماده در حال ظهور به نام تلورید گالیوم آهن تمرکز کرد. این ماده اتمی نازک تمام خواص لازم برای مغناطیس موثر در دمای اتاق را دارد و فاقد عناصر خاکی کمیاب است که نامطلوب است زیرا استخراج آنها به ویژه برای محیط زیست مخرب است.
نگوین با دقت کریستال های حجیم این ماده دو بعدی را با استفاده از تکنیکی خاص رشد داد. سپس Kajale با استفاده از یک دستگاه مغناطیسی دو لایه ساخت مقیاس نانو تکه های تلورید گالیم آهن زیر یک لایه شش نانومتری پلاتین.
دستگاه کوچکی که در دست داشتند، از خاصیت ذاتی الکترون ها به نام اسپین برای تغییر مغناطش در دمای اتاق استفاده کردند.
پینگ پنگ الکترونیکی
در حالی که الکترون ها از نظر فنی مانند یک بالا نمی چرخند، اما دارای همان نوع تکانه زاویه ای هستند. این چرخش جهت رو به بالا یا پایین دارد. محققان می توانند از خاصیتی به نام جفت شدن مدار چرخشی برای کنترل اسپین الکترون هایی که به آهنربا شلیک می کنند استفاده کنند.
به همان روشی که تکانه با برخورد یک توپ به توپ دیگر منتقل می‌شود، الکترون‌ها هنگام برخورد به ماده مغناطیسی دوبعدی «تکانه چرخشی» خود را به آن منتقل می‌کنند. بسته به جهت چرخش آنها، این انتقال تکانه می تواند مغناطش را معکوس کند.
به تعبیری، این انتقال مغناطش را از بالا به پایین (یا برعکس) می‌چرخاند، بنابراین به آن «گشتاور» می‌گویند. اعمال یک پالس الکتریکی منفی باعث کاهش مغناطیس می شود، در حالی که یک پالس مثبت باعث بالا رفتن آن می شود.
محققان به دو دلیل می‌توانند این کلید را در دمای اتاق بسازند: ویژگی‌های خاص گالیوم تلورید آهن و این واقعیت که در تکنیک آنها از مقدار کمی جریان الکتریکی استفاده می‌شود. پمپاژ بیش از حد جریان به دستگاه باعث گرم شدن بیش از حد و مغناطیس زدایی می شود.
کژاله می گوید که تیم در دو سالی که برای رسیدن به این نقطه عطف طول کشید با چالش های زیادی روبرو شد. یافتن مواد مغناطیسی مناسب تنها نیمی از نبرد بود. از آنجایی که آهن گالیوم تلورید به سرعت اکسید می شود، تولید باید در یک جعبه دستکش پر از نیتروژن انجام شود.
او می‌گوید: «دستگاه فقط به مدت 10 یا 15 ثانیه در معرض هوا قرار می‌گیرد، اما حتی پس از آن باید مرحله‌ای را انجام دهم که آن را پولیش کنم تا هرگونه اکسیدی را از بین ببرم».
اکنون که آنها تغییر دمای اتاق و کارایی انرژی بیشتر را نشان داده اند، محققان قصد دارند به بهبود عملکرد مواد مغناطیسی واندروالس ادامه دهند.
نقطه عطف بعدی ما رسیدن به سوئیچینگ بدون نیاز به میدان های مغناطیسی خارجی است. هدف ما این است که فناوری خود را بهبود بخشیم و آن را افزایش دهیم تا انعطاف‌پذیری آهنربای واندروالس را به کاربردهای تجاری برسانیم.»
مرجع: “تغییر جریان یک فرومغناطیس واندروالس در دمای اتاق” توسط Shivam N. Kajale، Thanh Nguyen، Corson A. Chao، David S. Bono، Artithaya Bunkird، Minda Li و Deblina Sarkar، 19 فوریه 2024، ارتباطات طبیعت.
DOI: 10.1038/s41467-024-45586-4
این کار تا حدی با کمک امکانات MIT.Nano و مرکز سیستم‌های مقیاس نانو در دانشگاه هاروارد انجام شد.
