A medida que nuestras vidas se entrelazan cada vez más con la tecnología, ya sea apoyando la comunicación mientras trabajamos de forma remota o transmitiendo nuestro programa favorito, también lo hace nuestra dependencia de los datos que crean estos dispositivos. Los centros de datos que respaldan estos ecosistemas tecnológicos producen una huella de carbono significativa y consumen 200 teravatios hora de energía cada año. mayor que el consumo anual de energía de Irán. Para equilibrar las preocupaciones ecológicas y satisfacer la creciente demanda, Los avances en los procesadores microelectrónicos, la columna vertebral de muchos dispositivos y centros de datos de Internet de las cosas (IoT), deben ser eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Los científicos de materiales de la Universidad Northwestern han desarrollado nuevos principios de diseño que podrían ayudar a impulsar el desarrollo de futuros materiales cuánticos utilizados para dispositivos avanzados (IoT) y otras tecnologías que consumen muchos recursos y, al mismo tiempo, limitan el daño ecológico.

"Se requieren nuevos materiales y paradigmas informáticos innovadores para que los centros de datos sean más eficientes en términos de energía en el futuro, "dijo James Rondinelli, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y profesor Morris E. Fine de materiales y fabricación en la Escuela de Ingeniería McCormick, quien dirigió la investigación.

El estudio marca un paso importante en los esfuerzos de Rondinelli para crear nuevos materiales que no sean volátiles, energía eficiente, y generar menos calor:aspectos importantes del futuro ultrarrápido, Electrónica de baja potencia y computadoras cuánticas que pueden ayudar a satisfacer la creciente demanda mundial de datos.

En lugar de ciertas clases de semiconductores que utilizan la carga del electrón en transistores para potenciar la computación, Los materiales basados ​​en espín de estado sólido utilizan el espín del electrón y tienen el potencial de soportar dispositivos de memoria de baja energía. En particular, los materiales con una textura de giro persistente (PST) de alta calidad pueden exhibir una hélice de giro persistente (PSH) de larga duración, que se puede utilizar para rastrear o controlar la información basada en espín en un transistor.

Aunque muchos materiales basados ​​en espines ya codifican información usando espines, esa información puede corromperse a medida que los espines se propagan en la parte activa del transistor. El nuevo PST de los investigadores protege esa información de giro en forma de hélice, convirtiéndola en una plataforma potencial donde operan dispositivos de memoria y lógica ultrabaja y ultrarrápida basada en espines.

El equipo de investigación utilizó modelos de mecánica cuántica y métodos computacionales para desarrollar un marco para identificar y evaluar las texturas de espín en un grupo de materiales cristalinos no centrosimétricos. La capacidad de controlar y optimizar la vida útil de los espines y las propiedades de transporte en estos materiales es vital para hacer realidad el futuro de los dispositivos microelectrónicos cuánticos que operan con un bajo consumo de energía.

"La característica limitante de la computación basada en espines es la dificultad de lograr espines de larga duración y totalmente controlables a partir de materiales semiconductores y magnéticos convencionales, "Nuestro estudio ayudará a futuros esfuerzos teóricos y experimentales dirigidos a controlar los espines en materiales que de otro modo no serían magnéticos para satisfacer las futuras demandas económicas y de escala", dijo Rondinelli.

El marco de trabajo de Rondinelli utilizó modelos microscópicos efectivos y teoría de grupos para identificar tres criterios de diseño de materiales que producirían texturas de espín útiles:densidad de portadores, el número de electrones que se propagan a través de un campo magnético efectivo, Anisotropía de Rashba, la relación entre los parámetros intrínsecos de acoplamiento espín-órbita de los materiales, y ocupación del espacio momentum, la región PST activa en la estructura de banda electrónica. Luego, estas características se evaluaron mediante simulaciones de mecánica cuántica para descubrir PSH de alto rendimiento en una variedad de materiales a base de óxido.

Los investigadores utilizaron estos principios y soluciones numéricas para una serie de ecuaciones diferenciales de difusión de espín para evaluar la textura de espín de cada material y predecir la vida útil de espín de la hélice en el fuerte límite de acoplamiento espín-órbita. También descubrieron que podían ajustar y mejorar el rendimiento de PST utilizando distorsiones atómicas en la picosescala. El grupo determinó un material PST óptimo, Sr3Hf2O7, que mostró una vida útil de giro sustancialmente más larga para la hélice que en cualquier material informado anteriormente.

"Nuestro enfoque proporciona una estrategia única agnóstica de la química para descubrir, identificar, y evaluar texturas de espín persistentes protegidas por simetría en materiales cuánticos utilizando criterios intrínsecos y extrínsecos, ", Dijo Rondinelli." Propusimos una forma de ampliar el número de grupos espaciales que albergan un PST, que puede servir como un depósito desde el que diseñar futuros materiales PST, y encontró otro uso más para los óxidos ferroeléctricos:compuestos con una polarización eléctrica espontánea. Nuestro trabajo también ayudará a orientar los esfuerzos experimentales destinados a implementar los materiales en estructuras de dispositivos reales ".

Un documento que describe el trabajo, titulado "Principios y materiales de descubrimiento para texturas de giro persistentes protegidas por simetría con una vida útil prolongada, "se publicó en línea el 18 de septiembre en la revista Importar .