Conduciendo imanes de capas atómicas hacia computadoras ecológicas

A nivel mundial, la informática está creciendo a un ritmo sin precedentes, impulsada por los beneficios de la inteligencia artificial. Como resultado, la enorme 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 un camino prometedor hacia la creación de computadoras «más allá de CMOS» que consumirían mucha menos energía en comparación con las computadoras tradicionales. La magnetización conmutada en imanes se puede utilizar en informática de la misma manera que un transistor se abre o se cierra para representar los 0 y 1 del código binario.

Aunque 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 fabricar hacerlos comercialmente viables.

Aunque los beneficios de cambiar 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, como los superconductores. Por lo tanto, elevar la temperatura de funcionamiento por encima de la temperatura ambiente sigue siendo el 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 capa atómica de van der Waals» donde un imán 2D de van der Waals, el telururo de hierro y galio, interactúa con otro material 2D, el diteluro de tungsteno. En un artículo de acceso abierto Publicado en Avances científicosEl equipo demuestra que el imán se puede cambiar entre los estados 0 y 1 simplemente aplicando pulsos de corriente eléctrica a 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 tecnológico. en 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 en capas atómicas de nuestro dispositivo ofrece características únicas, que incluyen posibilidades 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 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, investigador visitante del MIT en NSE y profesor asistente en la Universidad de Tohoku, 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 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 principalmente de sus simetrías.