Прорив у створенні нових матеріалів

Новий метод поєднання магнітних елементів з напівпровідниками, які є життєво важливими матеріалами для комп'ютерів та інших електронних пристроїв, був представлений дослідницькою групою під керівництвом Каліфорнійського інституту наносистем при Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі.

Дослідники продемонстрували здатність виробляти напівпровідникові матеріали, що містять до 50% магнітних атомів, тоді як сучасні методи часто обмежуються концентрацією магнітних атомів не більше 5%. Використовуючи свій процес, команда створила бібліотеку з понад 20 нових матеріалів, які поєднують магнітні елементи, такі як кобальт, марганець та залізо, з різноманітними напівпровідниками.

Дослідження також показало, що нова стратегія може бути використана для включення магнітних елементів у надпровідники, клас матеріалів, які дозволяють електронам проходити через них з нульовим опором за певних умов. В інших експериментах магнітні атоми додавалися до топологічних ізоляторів, які є речовинами, що поводяться як ізолятори всередині, але дозволяють електронам вільно текти на їхній поверхні.

У тестах, що включали використання атомної візуалізації та вимірювань намагніченості, дослідники виявили докази того, що нові матеріали, виготовлені з надпровідників та топологічних ізоляторів, зберігають свої екзотичні властивості, розвиваючи при цьому нову магнітну поведінку. Дослідження опубліковано в журналі Nature.

Прагнення інтегрувати магнетизм у напівпровідники існує десятиліттями, але поки що принесло лише помірний успіх. Сучасні методи передбачають заміщення невеликої частини атомів у напівпровідниках магнітними атомами. Однак, вище критичного порогу концентрації близько 5%, магнітні атоми мають тенденцію до злипання таким чином, що підриває здатність контролювати магнітні та електронні властивості матеріалів.

Напівпровідники з керованими магнітними властивостями можуть стати основою для спінтроніки. Спін пропонує новий спосіб зберігання та обробки інформації, використовуючи напрямок обертання електрона — «вгору» або «вниз» — подібно до крихітних стрижневих магнітів, що повертаються на північ або південь.

Спінтроніка вже використовується в таких технологіях, як зчитувальні головки, які знімають дані з жорстких дисків у комп'ютерах та інших пристроях. На відміну від звичайної електроніки, спінтронні компоненти не виробляють надлишкового тепла, що є основною перешкодою для втиснення більшої потужності в менші чіпи. Подолавши це обмеження, спінтроніка може призвести до створення майбутніх пристроїв, які будуть потужнішими, компактнішими та енергоефективнішими, або навіть пристроїв з абсолютно новими можливостями.

Магнітні матеріали, виготовлені за допомогою нового методу, також можуть служити базовими матеріалами для майбутніх квантових комп'ютерів. Очікується, що такі пристрої зможуть виконувати обчислення, які наразі неможливі, імітувати складні природні явища на рівні, якого традиційні комп'ютери не можуть досягти, та забезпечувати незламну кібербезпеку.

Методика дослідників передбачає почергове укладання атомарно тонких шарів напівпровідників та самоорганізованих шарів магнітних атомів. Ця  архітектура дозволяє кожному компоненту зберігати своє впорядковане розташування та внутрішні властивості, водночас породжуючи нову колективну поведінку.

Шари напівпровідникових молекул (зелений та жовтий) та атомів кобальту (червоний), а також зображення електронного мікроскопа, що відображає атоми нового матеріалу

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI