麻省理工学院的电子自旋魔法激发了计算进化

　　这张插图显示了电流被泵入铂(底部板)，这导致电子自旋电流的产生，从而改变了顶部二维铁磁体的磁性状态。彩色球体代表二维材料中的原子。图片来源:研究人员提供

　　麻省理工学院的一个研究小组精确地做到了在室温下控制一个超薄磁铁，这可以实现更快，更高效的处理器和计算机存储器。

　　用磁性材料制造的实验性计算机存储器和处理器比传统的硅基设备消耗的能量要少得多。二维磁性材料由只有几个原子厚的层组成，具有令人难以置信的特性，可以使基于磁性的设备实现前所未有的速度、效率和可扩展性。

　　在将这些所谓的范德华磁性材料集成到功能计算机中之前，还有许多障碍需要克服，麻省理工学院的研究人员在这个方向上迈出了重要的一步，他们展示了在室温下对范德华磁体的精确控制。

　　这是关键，因为由原子级薄范德华材料组成的磁铁通常只能在极冷的温度下控制，这使得它们很难在实验室外部署。

　　在室温下，研究人员使用电流脉冲来改变设备的磁化方向。磁开关可以用于计算，就像晶体管在开闭之间切换以表示二进制代码中的0和1一样，或者在计算机存储器中，开关可以实现数据存储。

　　研究小组向一个由一种新材料制成的磁铁发射电子脉冲，这种材料可以在更高的温度下保持磁性。这个实验利用了电子的一个基本特性——自旋，它使电子表现得像微小的磁铁。通过操纵撞击该设备的电子的自旋，研究人员可以改变其磁化强度。

　　麻省理工学院媒体实验室和神经生物工程中心的AT&T职业发展助理教授、纳米控制论生物之路实验室的负责人、一篇关于这项技术的论文的资深作者德布丽娜·萨卡尔(Deblina Sarkar)说:“与大体量磁性设备相比，我们开发的异质结构设备所需的电流要低一个数量级。”“我们的设备也比其他无法在室温下切换的范德华磁体更节能。”

　　在未来，这种磁铁可以用来制造耗电更少的更快的计算机。它还可以实现非易失性的磁性计算机存储器，这意味着它们在断电时不会泄露信息，或者使复杂的人工智能算法更加节能的处理器。

　　“在试图改进过去运行良好的材料方面存在很多惯性。但我们已经证明，如果你做出彻底的改变，从重新思考你正在使用的材料开始，你可能会得到更好的解决方案，”萨卡尔实验室的研究生、该论文的共同主要作者希瓦姆·卡贾勒(Shivam Kajale)说。

　　与Kajale和Sarkar一起发表这篇论文的还有共同第一作者Thanh Nguyen，他是核科学与工程系(NSE)的研究生;Chao，材料科学与工程系研究生;大卫·波诺，DSME研究科学家;NSE研究生Artittaya Boonkird;李明达，核科学与工程副教授。这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

　　原子级的微弱优势

　　用硅等大块材料在洁净室制造微型计算机芯片的方法可能会阻碍设备的发展。例如，材料层可能只有1纳米厚，因此表面上微小的粗糙点足以严重降低性能。

　　相比之下，范德华磁性材料本质上是分层的，其结构使其表面保持完美光滑，即使研究人员为了制造更薄的设备而剥离层。此外，一层中的原子不会泄漏到其他层中，从而使材料在堆叠在设备中时保持其独特的性能。

　　“在缩放和使这些磁性器件在商业应用中具有竞争力方面，范德华材料是前进的方向，”Kajale说。

　　但这里有个问题。这种新型磁性材料通常只能在低于60开尔文(-351华氏度)的温度下操作。为了制造磁性计算机处理器或存储器，研究人员需要在室温下使用电流来操作磁铁。

　　为了实现这一目标，该团队专注于一种名为碲化铁镓的新兴材料。这种原子薄的材料具有有效室温磁性所需的所有特性，并且不含稀土元素，因为提取稀土元素对环境尤其有害。

　　Nguyen使用一种特殊的技术精心培育出这种二维材料的大块晶体。然后，Kajale在六纳米的铂层下使用纳米级的碲化铁镓薄片制作了一个双层磁性装置。

　　他们手里拿着一个小装置，利用电子的一种被称为自旋的固有特性，在室温下改变它的磁化强度。

　　电子乒乓球

　　虽然电子在技术上不像陀螺那样“自旋”，但它们确实具有相同的角动量。自旋有一个方向，向上或向下。研究人员可以利用一种被称为自旋-轨道耦合的特性来控制他们向磁铁发射的电子的自旋。

　　当一个球撞击另一个球时，动量会以同样的方式传递，当电子撞击二维磁性材料时，它们会将“自旋动量”传递给它。根据它们自旋的方向，动量转移可以逆转磁化。

　　从某种意义上说，这种转移从上到下旋转磁化(反之亦然)，所以它被称为“扭矩”，就像自旋轨道扭矩切换一样。施加负电脉冲会使磁化强度下降，而施加正脉冲会使磁化强度上升。

　　研究人员可以在室温下进行这种开关，有两个原因:碲化铁镓的特殊性质和他们的技术使用少量电流的事实。向设备中注入过多的电流会导致设备过热和退磁。

　　Kajale说，在实现这一里程碑的两年中，该团队面临着许多挑战。找到合适的磁性材料只是成功了一半。由于碲化铁镓氧化很快，制造过程必须在充满氮气的手套箱中进行。

　　他说:“这个设备只暴露在空气中10到15秒，但即使在那之后，我也必须做一个步骤，打磨它以去除任何氧化物。”

　　现在他们已经证明了室温开关和更高的能源效率，研究人员计划继续推动磁性范德华材料的性能。

　　“我们的下一个里程碑是实现不需要任何外部磁场的开关。我们的目标是提高我们的技术，扩大规模，将范德华磁体的多功能性带到商业应用中，”Sarkar说。

　　参考文献:“室温下范德华铁磁体的电流感应开关”，作者:Shivam N. Kajale, Thanh Nguyen, Corson a . Chao, David C. Bono, Artittaya Boonkird, Mingda Li和Deblina Sarkar, 2024年2月19日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 45586 - 4

　　这项工作在一定程度上使用了麻省理工学院的设备。纳米和哈佛大学纳米系统中心。