+11 голос |
Исследователи сконструировали материал, который может привести к созданию нового поколения вычислительных устройств, предоставляющих больше вычислительной мощности при потреблении доли той энергии, которую требует современная электроника.
Материал, известный как магнитоэлектрический мультиферроик, сочетает в себе электрические и магнитные свойства при комнатной температуре и опирается на явление, называемое «плоское смятие» (в русскоязычной литературе известно как задача о «мятом рубле»).
Новый материал складывается вместе сэндвичем из отдельных слоев атомов, производя тонкую пленку с магнитной полярностью, которая может быть перевернута с положительной на отрицательную или наоборот с помощью малых импульсов электричества. В будущем производители устройств могли бы использовать это свойство для хранения двоичных данных.
«До этой работы был только один мультиферроик, магнитные свойства которого можно было регулировать с помощью электричества при комнатной температуре, - сказал Джон Херон (John Heron), доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Мичиган, который работал над материалом совместно с исследователями из Корнелльского университета. - Это электрическое управление очень привлекает производителей электроники, так что это огромный шаг вперед».
Мультиферроики, управляемые при комнатной температуре, заветная цель в области электроники, поскольку они требуют гораздо меньше энергии для чтения и записи данных, чем современные устройства на основе полупроводников. Кроме того, их данные не обращается в нуль при выключении питания. Эти свойства могут привести к устройствам, которые требуют только коротких электрических импульсов вместо постоянного тока, который нужен для современной электроники, что, по оценкам, потребует в 100 раз меньше энергии.
«Электроника являются наиболее быстро растущим потребителем энергии во всем мире, - сказал Рамамурти Рамеш (Ramamoorthy Ramesh), заместитель директора лаборатории энергетических технологий в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. - Сегодня около 5 % от нашего общего мирового потребления энергии тратится на электронику, и оно, по прогнозам, вырастет до 40-50 %% к 2030 г., если мы продолжим в том же темпе, и если не будет каких-либо серьезных достижений в этой области, которые приведут к снижению потребления энергии».
Для того чтобы создать новый материал, исследователи начали с атомарно тонких пленок гексагонального оксида железа лютеция (LuFeO3), материала, который является хорошим сегнетоэлектриком, но не обладает сильными магнитными свойствами. Оксид железа лютеция состоит из чередующихся монослоев оксида лютеция и оксида железа. Затем ученые использовали технику, называемую молекулярно-лучевой эпитаксией, чтобы добавить один дополнительный монослой оксида железа на каждые 10 атомных повторов одного монослоя.
"Мы, по сути, распыляли отдельные атомы железа, лютеция и кислорода, чтобы достичь новой атомной структуры, которая проявляет более сильные магнитные свойства», - сказал Даррелл Шлом (Darrell Schlom), профессор материаловедения и инженерии в Корнелле и старший автор статьи, недавно опубликованной в Nature.
Результатом был новый материал, который сочетает в себе явление в оксиде лютеция под названием "плоское смятие" с магнитными свойствами оксида железа для достижения свойств мультиферроика при комнатной температуре.
Херон объясняет, что лютеций демонстрирует смещения атомного уровня под названием смятие. Видимое под электронным микроскопом смятие улучшает магнетизм в материале, что позволяет ему сохраняться при комнатной температуре. Смятие может быть перемещено приложением электрического поля, что достаточно, чтобы изменить магнитное поле в соседнем слое оксида железа с положительного на отрицательное или наоборот, создавая материал, магнитными свойствами которого можно управлять с помощью электричества - "магнитоэлектрический мультиферроик".
Хотя Херон считает, что жизнеспособные мультиферроидные устройства могут появиться, скорее всего, через несколько лет, работа приближает цель создания устройств, которые продолжат увеличение производительности компьютеров, снижая в то же время потребление энергии. Очень важно, чтобы электронная промышленность продолжала двигаться вперед в соответствии с законом Мура. Он выполняется с 1960 года, но эксперты прогнозируют, что существующие технологии на основе кремния могут приближаться к своим пределам.
Псевдораскрашенное изображение электронного микроскопа показывает чередование атомных плоскостей лютеция (желтый) и железа (синий)
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
+11 голос |