A nivel mundial, la computación está experimentando un auge a un ritmo sin precedentes, impulsada por los beneficios de la inteligencia artificial. Con esto, la asombrosa demanda de energía de la infraestructura informática mundial se ha convertido en una gran preocupación, y el desarrollo de dispositivos informáticos que sean mucho más eficientes energéticamente es 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 vía prometedora para crear computadoras "más allá de CMOS", que consumirían mucha menos energía en comparación con las computadoras tradicionales. La conmutación de magnetización en imanes se puede utilizar en computación 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 bidimensionales de Van der Waals, proporciona propiedades superiores que pueden mejorar la escalabilidad y la eficiencia energética de los dispositivos magnéticos para fabricarlos comercialmente. viable.
Aunque los beneficios de pasar a materiales magnéticos 2D son evidentes, su introducción práctica en las computadoras se ha visto obstaculizada por algunos desafíos fundamentales. Hasta hace poco, los materiales magnéticos 2D sólo podían funcionar a temperaturas muy bajas, al igual que los superconductores. Por lo tanto, llevar sus temperaturas de funcionamiento por encima de la temperatura ambiente sigue siendo un objetivo principal. Además, para su uso en ordenadores, es importante que puedan controlarse eléctricamente, sin necesidad de campos magnéticos.
Cerrar esta brecha fundamental, donde los materiales magnéticos 2D pueden cambiarse eléctricamente por encima de la temperatura ambiente sin ningún campo magnético, podría potencialmente catapultar la traducción de los imanes 2D a la próxima generación de computadoras "verdes".
Un equipo de investigadores del MIT ha logrado este hito crítico al diseñar un dispositivo de "heteroestructura de capas atómicas de van der Waals" donde un imán 2D de van der Waals, el telururo de hierro y galio, se interconecta con otro material 2D, el ditelururo de tungsteno. En un artículo de acceso abierto publicado en Science Advances , el equipo muestra que el imán se puede alternar 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 consumo ultrabajo y ambientalmente sostenible para big data e inteligencia artificial", dice la autora principal Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional de AT&T en el MIT Media Lab y el Centro de Ingeniería Neurobiológica, y jefe del grupo de investigación Nano-Cybernetic Biotrek. "Además, la estructura de capas atómicas de nuestro dispositivo proporciona capacidades únicas que incluyen una interfaz mejorada y posibilidades de sintonización del voltaje de la puerta, así como tecnologías espintrónicas flexibles y transparentes".
A Sarkar se unen en el artículo el primer autor Shivam Kajale, 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 las simetrías especulares
Cuando la corriente eléctrica fluye a través de metales pesados como el platino o el tantalio, los electrones se segregan en los materiales en función de su componente de espín, un fenómeno llamado efecto Hall de espín, dice Kajale. La forma en que se produce esta segregación depende del material y, en particular, de sus simetrías.
"La conversión de la corriente eléctrica en corrientes de espín en los metales pesados es fundamental para controlar eléctricamente los imanes", señala Kajale. "La estructura microscópica de los materiales utilizados convencionalmente, como el platino, tiene una especie de simetría especular, que restringe las corrientes de espín sólo a la polarización del espín en el plano."
Kajale explica que se deben romper dos simetrías de espejo para producir un componente de espín "fuera del plano" que pueda transferirse a una capa magnética para inducir una conmutación sin campo. "La corriente eléctrica puede 'romper' la simetría especular a lo largo de un plano en el platino, pero su estructura cristalina evita que la simetría especular se rompa en un segundo plano."
En sus experimentos anteriores, los investigadores utilizaron un pequeño campo magnético para romper el segundo plano del espejo. Para deshacerse de la necesidad de un empujón magnético, Kajale, Sarkar y sus colegas buscaron un material con una estructura que pudiera romper el segundo plano del espejo sin ayuda externa. Esto los llevó a otro material 2D, el diteluuro de tungsteno.
El ditelururo de tungsteno que utilizaron los investigadores tiene una estructura cristalina ortorrómbica. El material en sí tiene un plano de espejo roto. Por lo tanto, al aplicar corriente a lo largo de su eje de baja simetría (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 el diteluro de tungsteno.
"Como también es un material 2D de Van der Waals, también puede garantizar que cuando apilemos los dos materiales, obtengamos interfaces impecables y un buen flujo de espines electrónicos entre los materiales", dice Kajale.
La memoria de las computadoras y los procesadores construidos con materiales magnéticos utilizan menos energía que los dispositivos tradicionales basados en silicio. Y los imanes de Van der Waals pueden ofrecer una mayor eficiencia energética y una mejor escalabilidad en comparación con el material magnético a granel, señalan los investigadores.
La densidad de corriente eléctrica utilizada para cambiar el imán se traduce en cuánta energía se disipa durante la conmutación. Una densidad más baja significa un material mucho más eficiente energéticamente.
"El nuevo diseño tiene una de las densidades de corriente más bajas de los materiales magnéticos de Van der Waals", afirma Kajale. "Este nuevo diseño tiene un orden de magnitud menor en términos de la corriente de conmutación requerida en materiales a granel. Esto se traduce en una mejora de dos órdenes de magnitud en la eficiencia energética".
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 interruptor magnético 2D a escala comercial.
Más información: Shivam N. Kajale et al, Conmutación determinista sin campo del sistema de torsión de órbita giratoria de Van der Waals por encima de la temperatura ambiente, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk8669
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
