Magnetoelektrické čipy pro napájení nové generace výkonnějších výpočetních zařízení
Využití hučení fluorescenčních světel pro efektivnější práci s počítačem
Vlastnost, která způsobuje bzučení zářivek, by mohla pohánět novou generaci efektivnějších výpočetních zařízení, která ukládají data s magnetickými poli, spíše než s elektřinou.
Tým vedený výzkumníky z University of Michigan vyvinul materiál, který je nejméně dvakrát „magnetostrikční“ a mnohem méně nákladný než jiné materiály ve své třídě. Kromě výpočetní techniky by to mohlo vést i k lepším magnetickým senzorům pro lékařská a bezpečnostní zařízení.
Magnetostrikce, která způsobuje bzučení zářivek a elektrických transformátorů, nastává, když jsou tvar materiálu a magnetické pole spojeny – to znamená, že změna tvaru způsobuje změnu magnetického pole. Tato vlastnost by mohla být klíčová pro novou generaci výpočetních zařízení nazývaných magnetoelektrika.
Magnetoelektrické čipy by mohly učinit vše od masivních datových center po mobilní telefony mnohem energeticky efektivnějšími, čímž by se snížily požadavky světové počítačové infrastruktury na elektřinu.
Materiál je vyroben z kombinace železa a galia a je podrobně popsán v článku publikovaném dnes (12. května 2021) v Příroda komunikace. Tým vede profesor materiálové vědy a inženýrství UM John Heron a zahrnuje výzkumníky z Intelu; Cornell University; Kalifornská univerzita, Berkeley; University of Wisconsin; Purdue University a jinde.
Magnetoelektrická zařízení používají magnetická pole místo elektřiny k ukládání digitálních jedniček a nul binárních dat. Drobné pulsy elektřiny způsobují, že se mírně roztahují nebo smršťují a mění jejich magnetické pole z kladného na záporné nebo naopak. Protože nevyžadují stálý proud elektřiny, jako to dělají dnešní čipy, spotřebují jen zlomek energie.
"Klíčem k tomu, aby magnetoelektrická zařízení fungovala, je nalezení materiálů, jejichž elektrické a magnetické vlastnosti jsou propojeny." řekla Heron. "A větší magnetostrikce znamená, že čip může dělat stejnou práci s menší energií."
Levnější magnetoelektrická zařízení s desetinásobným vylepšením
Většina dnešních magnetostrikčních materiálů používá prvky vzácných zemin, které jsou příliš vzácné a nákladné na to, aby mohly být použity v množství potřebném pro výpočetní zařízení. Ale Heronův tým našel způsob, jak získat vysokou úroveň magnetostrikce z levného železa a galia.
Obvykle, vysvětluje Heron, se magnetostrikce slitiny železa a galia zvyšuje, když se přidává více gallia. Ale tato zvýšení se vyrovnají a nakonec začnou klesat, když vyšší množství galia začnou tvořit uspořádanou atomovou strukturu.
Výzkumný tým tedy použil proces nazvaný nízkoteplotní epitaxe molekulárního paprsku, aby v podstatě zmrazil atomy na místě, čímž jim zabránil ve vytvoření uspořádané struktury, protože bylo přidáno více gallia. Tímto způsobem se Heronovi a jeho týmu podařilo zdvojnásobit množství gallia v materiálu, čímž došlo k desetinásobnému zvýšení magnetostrikce ve srovnání s nemodifikovanými slitinami železa a galia.
"Nízkoteplotní epitaxe molekulárního paprsku je extrémně užitečná technika - je to trochu jako sprejování s jednotlivými atomy," řekl Heron. „A ‚nanášení sprejem‘ materiálu na povrch, který se mírně deformuje při použití napětí, také usnadnilo testování jeho magnetostrikčních vlastností.“
Výzkumníci pracují s programem MESO společnosti Intel
Magnetoelektrická zařízení vyrobená ve studii mají velikost několika mikronů – velká podle počítačových standardů. Ale výzkumníci spolupracují s Intelem na hledání způsobů, jak je zmenšit na užitečnější velikost, která bude kompatibilní s programem magnetoelektrických zařízení pro spin-orbit (nebo MESO), jehož jedním cílem je prosadit magnetoelektrická zařízení do hlavního proudu.
„Intel je skvělý v škálování věcí a v maticích a šroubech toho, aby technologie skutečně fungovala v super malém měřítku počítačového čipu,“ řekl Heron. "Velmi investovali do tohoto projektu a pravidelně se s nimi setkáváme, abychom získali zpětnou vazbu a nápady, jak tuto technologii rozšířit, aby byla užitečná v počítačových čipech, které nazývají MESO."
Zatímco zařízení využívající tento materiál je pravděpodobně desítky let daleko, Heronova laboratoř požádala o patentovou ochranu prostřednictvím úřadu UM Office of Technology Transfer.
Odkaz: „Inženýrské nové limity magnetostrikce prostřednictvím metastability ve slitinách železa a galia“ od PB Meisenheimer, RA Steinhardt, SH Sung, LD Williams, S. Zhuang, ME Nowakowski, S. Novakov, MM Torunbalci, B. Prasad, CJ Zollner, Z. Wang, NM Dawley, J. Schubert, AH Hunter, S. Manipatruni, DE Nikonov, IA Young, LQ Chen, J. Bokor, SA Bhave, R. Ramesh, J.-M. Hu, E. Kioupakis, R. Hovden, DG Schlom a JT Heron, 12. května 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22793-x
Výzkum je podporován IMRA America a National Science Foundation (čísla grantů NNCI-1542081, EEC-1160504 DMR-1719875 a DMR-1539918).
Mezi další výzkumníky v tomto článku patří docent UM pro materiálové vědy a inženýrství Emmanouil Kioupakis; UM odborný asistent materiálové vědy a inženýrství Robert Hovden; a asistenti výzkumu postgraduálních studentů UM Peter Meisenheimer a Suk Hyun Sung.
