Cuando la eficiencia energética de la electrónica representa un desafío, los materiales magnéticos pueden tener una solución.

La eficiencia energética marcará o romperá el futuro. A medida que la demanda de energía de la electrónica sigue creciendo, Semiconductor Research Corporation advierte que dentro de dos décadas, la demanda computacional global de energía será mayor que la cantidad total producida. Vincent Sokalski, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Carnegie Mellon, está trabajando en una solución a este problema, utilizando materiales magnéticos para la memoria y la computación energéticamente eficientes.

Sokalski recibió recientemente una subvención de $ 1.8 millones de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) para su proyecto, "Skyrmions de pared de dominio:excitaciones topológicas confinadas a canales 1-D". Junto con los profesores de CMU Marc De Graef (MSE) y Di Xiao (Física), Sokalski explorará nuevas formas de procesar y almacenar información de manera eficiente con materiales magnéticos.

Aunque los materiales magnéticos ya se utilizan en las unidades de disco duro actuales para el almacenamiento a largo plazo, Los semiconductores se utilizan actualmente para la memoria y el procesamiento a corto plazo, que es donde se consume la mayor parte de la energía. Sin embargo, a medida que los semiconductores se encogen para cumplir con las expectativas de los consumidores en cuanto a velocidad y densidad, existe un límite a lo pequeños que se pueden hacer sin correr el riesgo de perder información. DARPA reconoce este desafío, y los proyectos de investigación financiados por el programa "Excitaciones topológicas en electrónica" de DARPA se centran en encontrar formas de utilizar la "protección topológica" para mejorar los materiales magnéticos que se pueden utilizar para el almacenamiento de memoria o procesadores de computadoras.

Imagínese un cuenco con una pequeña bola rodando en su interior. Mientras lo sacudes la bola sube y baja por las paredes del cuenco, quedarse adentro. Sin embargo, si hicieras esto con un tazón más pequeño, la bola podría caer eventualmente. Similar, cuando un semiconductor se expone al calor, corre el riesgo de perder información. Cuanto más pequeños fabriquen semiconductores, mayor es el riesgo de pérdida de datos.

"La física fundamental detrás de eso no es algo que podamos cambiar fácilmente, "explica Sokalski, "pero podemos observar sistemas y mecanismos de materiales completamente diferentes en los que nos movemos alrededor de características magnéticas, y usar esas características magnéticas para cambiar la resistencia de un dispositivo informático. Pero para hacer eso, realmente necesitamos explorar y descubrir nuevos materiales que puedan servir para ese propósito ".

Introduzca materiales magnéticos. Mejorando los materiales magnéticos, Sokalski espera algún día encontrar nuevos materiales que puedan aumentar, o incluso reemplazar, semiconductores en informática.

El proyecto de Sokalski comienza con skyrmions magnéticos, o burbujas magnéticas bidimensionales. Si se usa en la memoria de la computadora, cada burbuja almacenaría un solo bit de datos.

"Los Skyrmions son un renacimiento de la idea de la memoria de burbujas" que se estudió ampliamente en las décadas de 1970 y 1980. dice Sokalski. "Excepto que ahora las burbujas son mucho más pequeñas, mas estable, y tener protección topológica, por lo que podemos moverlos con mayor eficiencia energética de lo que podríamos haberlos movido hace 40 o 50 años ".

En materiales magnéticos, Piense en cada electrón como una pequeña barra magnética con polos norte y sur que apuntan en la misma dirección. Estos se llaman giros. Sokalski está interesado en cómo crear defectos topológicos en las líneas de estos espines.

Para comprender la importancia de la protección topológica, primero tiene que comprender los defectos topológicos. Imagínese apilando una bandeja de queso con un amigo. Uno de ustedes comienza en el lado derecho de la bandeja, apilando cada trozo de queso encima del siguiente, y el otro comienza en el lado izquierdo. Finalmente, te encontrarás en el medio, y chocarán tus lonchas de queso, en lugar de alinearse en el mismo ángulo. Ese punto donde chocan es la esencia de un defecto topológico.

Para borrar un defecto topológico, tendrías que voltear cada "rebanada de queso" de un lado del defecto. En magnetismo, si la mitad de tus giros en una cadena apunta hacia adentro hacia la izquierda, y todos los demás apuntan en la dirección opuesta, tendrías un defecto en el medio. Para hacer desaparecer el defecto, tendrías que revertir cada giro en un lado, alejándolo hasta el borde de la cadena.

En magnetismo, estos defectos topológicos son muy valiosos. Si tiene un defecto topológico, eso significa que sus datos están protegidos topológicamente, porque si solo un giro se voltea espontáneamente para apuntar en la dirección opuesta, el defecto simplemente cambia, en lugar de irse.

¿Por qué este tema está surgiendo repentinamente en la investigación de materiales magnéticos? Todo magnetismo se basa en algo llamado Intercambio de Heisenberg, un efecto mecánico cuántico que hace que los espines de los electrones se alineen en una orientación paralela. Sin embargo, el descubrimiento de un nuevo fenómeno llamado Interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) conduce a una alineación perpendicular de espines vecinos. La combinación de Heisenberg Exchange y DMI, que es lo que estudia Sokalski, da lugar a un nuevo tipo de magnetismo que hace que los espines de los electrones tengan una configuración en espiral continua.

"Resulta que las características de los materiales magnéticos que se estabilizan mediante esta nueva interacción pueden en realidad manipularse con mayor eficiencia que en los casos en los que solo se trata del intercambio de Heisenberg". "dice Sokalski.

Tener un mayor control sobre los skyrmions y los defectos topológicos significaría un almacenamiento de datos más confiable y una mayor eficiencia energética en la informática.

"DARPA busca sortear el desafío pendiente de la electrónica de bajo consumo, "dice Sokalski, "y que escala desde los conceptos físicos más fundamentales de giro hasta el diseño de computadoras que tienen una arquitectura de circuito completamente diferente. Nuestra investigación conducirá a una computación de bajo consumo que satisfaga las necesidades de la inteligencia artificial y las computadoras a pequeña escala, al mismo tiempo que mitiga su huella energética global ".

MSE Ph.D. los estudiantes Maxwell Li y Derek Lau y el investigador postdoctoral de física Ran Cheng son colaboradores en este proyecto, además de los co-investigadores principales Tim Mewes y Claudia Mewes en la Universidad de Alabama.