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(noticias nanowerk) A nivel mundial, la informática está en auge a un ritmo sin precedentes, impulsada por los beneficios de la inteligencia artificial. Como resultado, las enormes demandas energéticas de la infraestructura informática mundial se han convertido en un problema importante, y desarrollar 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 ha demostrado ser una vía prometedora para desarrollar 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 el cálculo 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, los llamados imanes bidimensionales de Van der Waals, ofrece propiedades superiores que pueden mejorar la escalabilidad y la eficiencia energética de los dispositivos magnéticos. para la producción comercial viable.
Aunque los beneficios de pasar a materiales magnéticos 2D son obvios, su adopción práctica en las computadoras se ha visto obstaculizada por algunos desafíos fundamentales. Hasta hace poco, los materiales magnéticos 2D, similares a los superconductores, sólo podían funcionar a temperaturas muy bajas. Por lo tanto, aumentar sus temperaturas de funcionamiento por encima de la temperatura ambiente sigue siendo un objetivo principal. Además, para el uso en ordenadores es importante que puedan controlarse eléctricamente sin necesidad de campos magnéticos. Cerrar esta brecha fundamental, permitiendo que los materiales magnéticos 2D se conmuten eléctricamente sin campos magnéticos por encima de la temperatura ambiente, podría catapultar la implementación de imanes 2D a la próxima generación de computadoras «verdes».
Un equipo de investigadores del MIT ha logrado este hito crucial al diseñar un dispositivo de heteroestructura de van der Waals con capas atómicas que combina un imán de van der Waals 2D, telururo de hierro y galio, con otro material 2D, ditelluro de tungsteno. En un artículo de acceso abierto publicado en Avances científicos (“Conmutación determinista sin campo del sistema de torsión de órbita giratoria de All van der Waals por encima de la temperatura ambiente”), el equipo muestra que el imán se puede cambiar entre los estados 0 y 1 simplemente aplicando pulsos de corriente eléctrica a ambos. Dispositivo de capa.
![El flujo de corriente eléctrica en la placa de cristal inferior (que representa WTe2) rompe una simetría especular (vidrio roto), mientras que el material mismo rompe la otra simetría especular (vidrio roto). La corriente de espín resultante tiene una polarización vertical que cambia el estado magnético del ferroimán 2D superior.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64969_1.jpg)
«Nuestro dispositivo permite una conmutación de magnetización robusta sin la necesidad de un campo magnético externo, lo que abre posibilidades sin precedentes para tecnología informática de consumo extremadamente bajo y respetuosa con el medio ambiente para big data e inteligencia artificial», dice la autora principal Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional de AT&T en la MIT Media Lab y Centro de Ingeniería Neurobiológica y Jefe del grupo de investigación Nano-Cybernetic Biotrek. «Además, la estructura de capas atómicas de nuestro dispositivo ofrece capacidades únicas, incluida una interfaz mejorada y capacidades de sintonización del voltaje de la puerta, así como tecnologías espintrónicas flexibles y transparentes».
Al trabajo de Sarkar se unen 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 del espejo
Cuando la corriente eléctrica fluye a través de metales pesados como el platino o el tantalio, los electrones se separan debido a su componente de espín en los materiales, un fenómeno llamado efecto Hall de espín, dice Kajale. La forma en que se produce esta separación depende del material y en particular de sus simetrías.
«La conversión de la corriente eléctrica en corrientes de espín en los metales pesados es el núcleo del control eléctrico de los imanes», señala Kajale. «La estructura microscópica de materiales comúnmente utilizados como el platino exhibe una especie de simetría especular que restringe las corrientes de espín a la polarización de espín en el plano únicamente».
Kajale explica que se deben romper dos simetrías de espejo para crear 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 eliminar la necesidad de un empujón magnético, Kajale, Sarkar y sus colegas buscaron un material con una estructura que pudiera atravesar el segundo plano del espejo sin ayuda. Esto los llevó a otro material 2D, el diteluuro de tungsteno. El ditelururo de tungsteno utilizado por los investigadores tiene una estructura cristalina ortorrómbica. El material en sí tiene un plano de espejo roto. Al aplicar corriente a lo largo de su eje de baja simetría (paralelo al plano del espejo refractado), la corriente de espín resultante tiene un componente de espín fuera del plano que puede inducir directamente la conmutación en el imán ultrafino conectado al diteluro de tungsteno.
«Además, dado que 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.
Sea más eficiente energéticamente
Las memorias y los procesadores de computadora fabricados 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 indica cuánta energía se pierde 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 todos los materiales magnéticos de Van der Waals», dice Kajale. “Este nuevo diseño tiene un orden de magnitud menor de corriente de conmutación requerida en materiales a granel. Esto representa una mejora en la eficiencia energética de aproximadamente dos órdenes de magnitud”.
El equipo de investigación ahora está estudiando 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 producir dispositivos de interruptor magnético 2D a escala comercial.
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