Магнітоелектричні мікросхеми для живлення нового покоління більш ефективних обчислювальних пристроїв
Використання шуму люмінесцентних ламп для більш ефективних обчислень
Властивість, яка змушує люмінесцентні лампи гудіти, може забезпечити нове покоління більш ефективних обчислювальних пристроїв, які зберігають дані за допомогою магнітних полів, а не електрики.
Команда під керівництвом дослідників Мічиганського університету розробила матеріал, який принаймні вдвічі більш «магнітострикційний» і набагато дешевший, ніж інші матеріали цього класу. На додаток до обчислень, це також може привести до кращих магнітних датчиків для медичних і охоронних пристроїв.
Магнітострикція, яка викликає гудіння люмінесцентних ламп і електричних трансформаторів, виникає, коли форма матеріалу та магнітне поле пов’язані, тобто зміна форми викликає зміну магнітного поля. Ця властивість може стати ключем до нового покоління обчислювальних пристроїв під назвою магнітоелектрики.
Магнітоелектричні чіпи можуть зробити все, від масивних центрів обробки даних до мобільних телефонів, набагато більш енергоефективним, зменшуючи потреби в електроенергії для світової обчислювальної інфраструктури.
Цей матеріал, виготовлений із комбінації заліза та галію, детально описано в статті, опублікованій сьогодні (12 травня 2021 р.) у Природа спілкування. Групу очолює професор матеріалознавства та інженерії Університету університету Джон Херон, до складу якої входять дослідники з Intel; Корнельський університет; Каліфорнійський університет, Берклі; Університет Вісконсіна; Університет Пердью та інші.
Магнітоелектричні пристрої використовують магнітні поля замість електрики для зберігання цифрових одиниць і нулів двійкових даних. Крихітні імпульси електрики змушують їх злегка розширюватися або стискатися, перевертаючи їх магнітне поле з позитивного на негативне або навпаки. Оскільки їм не потрібен постійний потік електроенергії, як сучасні мікросхеми, вони споживають лише частину енергії.
«Ключом для того, щоб магнітоелектричні пристрої працювали, є пошук матеріалів, чиї електричні та магнітні властивості пов’язані». — сказав Герон. «І більше магнітострикції означає, що чіп може виконувати ту ж роботу з меншою енергією».
Дешевіші магнітоелектричні пристрої з десятикратним удосконаленням
Більшість сучасних магнітострикційних матеріалів використовує рідкоземельні елементи, які занадто мізерні та дорогі, щоб використовувати їх у кількостях, необхідних для обчислювальних пристроїв. Але команда Герона знайшла спосіб отримати високий рівень магнітострикції від недорогого заліза та галію.
Зазвичай, пояснює Герон, магнітострикція залізо-галієвого сплаву збільшується, коли додається більше галію. Але це збільшення вирівнюється і зрештою починає падати, оскільки більша кількість галію починає формувати впорядковану атомну структуру.
Тому дослідницька група використовувала процес, який називається низькотемпературною молекулярно-променевою епітаксією, щоб по суті заморозити атоми на місці, не даючи їм утворювати впорядковану структуру, оскільки додавали більше галію. Таким чином, Герон і його команда змогли подвоїти кількість галію в матеріалі, досягнувши десятикратного збільшення магнітострикції порівняно з немодифікованими залізо-галієвими сплавами.
«Низькотемпературна молекулярно-променева епітаксія є надзвичайно корисною технікою — вона трохи схожа на фарбування окремими атомами розпиленням», — сказав Герон. «Нанесення матеріалу розпиленням на поверхню, яка злегка деформується під дією напруги, також дозволила легко перевірити його магнітострикційні властивості».
Дослідники працюють з програмою Intel MESO
Магнітоелектричні пристрої, виготовлені під час дослідження, мають розміри в кілька мікрон — великі за обчислювальними стандартами. Але дослідники працюють з Intel, щоб знайти способи зменшити їх до більш корисного розміру, який буде сумісно з програмою компанії магнітоелектричних спін-орбітальних пристроїв (або MESO), однією з цілей якої є просування магнітоелектричних пристроїв у популярність.
«Intel чудово справляється з масштабуванням і в тому, щоб технологія дійсно працювала у надмалих масштабах комп’ютерного чіпа», — сказав Герон. «Вони дуже інвестували в цей проект, і ми регулярно зустрічаємося з ними, щоб отримати відгуки та ідеї щодо того, як розширити цю технологію, щоб зробити її корисною в комп’ютерних чіпах, які вони називають MESO».
У той час як пристрій, який використовує цей матеріал, швидше за все, існує через десятиліття, лабораторія Герона подала заявку на патентний захист через Управління передачі технологій UM.
Довідка: «Інженерні нові межі магнітострикції через метастабільність у залізо-галієвих сплавах» П. Б. Мейзенхаймер, Р. А. Штайнхардт, Ш. Сун, Л. Д. Вільямс, С. Чжуан, М. Е. Новаковський, С. Новаков, М. М. Торунбальчі, Б. Прасад, Ч. Дж. Цоллнер, Z. Wang, NM Dawley, J. Schubert, AH Hunter, S. Manipatruni, DE Ніконов, IA Young, LQ Chen, J. Bokor, SA Bhave, R. Ramesh, J.-M. Ху, Е. Кіупакіс, Р. Ховден, Д. Г. Шлом і Дж. Т. Герон, 12 травня 2021 р., Природа зв'язку.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22793-x
Дослідження проводиться за підтримки IMRA America та Національного наукового фонду (гранти NNCI-1542081, EEC-1160504 DMR-1719875 і DMR-1539918).
Серед інших дослідників у статті є доцент кафедри матеріалознавства та інженерії UM Еммануіл Кіупакіс; доцент кафедри матеріалознавства та інженерії УМ Роберт Ховден; та асистенти UM аспірантів Пітер Мейзенхаймер та Сук Хьон Сон.
