Ожидается, что всего через несколько десятилетий растущий объём цифровых данных станет одним из крупнейших потребителей энергии в мире. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции совершили прорыв, который может изменить парадигму: они создали атомарно тонкий материал, который позволяет сосуществовать двум противоположным магнитным силам, что значительно снижает энергопотребление в запоминающих устройствах в 10 раз.
Открытие может проложить путь к новому поколению сверхэффективных и надёжных решений для памяти
Это открытие может проложить путь к созданию нового поколения сверхэффективных и надёжных решений для памяти, которые будут использоваться в искусственном интеллекте, мобильных технологиях и для передовой обработки данных.
Статья «Coexisting Non-Trivial Van der Waals Magnetic Orders Enable Field-Free Spin-Orbit Torque Magnetization Dynamics» опубликована в журнале Advanced Materials.
Модули памяти — ключевые компоненты практически всех современных технологий, которые обрабатывают и хранят информацию
Модули памяти являются важными компонентами практически всех современных технологий, которые обрабатывают и хранят информацию — системы искусственного интеллекта, смартфоны, компьютеры, автономные транспортные средства, бытовая техника и медицинские приборы.
Используя поведение электронов в магнитных материалах под воздействием внешних полей и электрических токов, исследователи могут создавать чипы памяти, которые работают быстрее, меньше по размеру и более энергоэффективны.
Однако объём данных, которые хранятся, обрабатываются и передаются, растёт экспоненциально. В течение нескольких десятилетий прогнозируется, что он будет составлять почти 30% от мирового энергопотребления. Это вызвало срочный поиск новых подходов к созданию гораздо более энергоэффективных модулей памяти, одновременно открывая совершенно новые технологические возможности.
Команда из Чалмерса впервые в мире показала, как новый слоистый материал объединяет две различные магнитные силы, обеспечивая десятикратное снижение энергопотребления в устройствах памяти.
«Обнаружение этого сосуществования магнитных порядков в одном тонком материале — это прорыв. Его свойства делают его исключительно подходящим для разработки сверхэффективных чипов памяти для искусственного интеллекта, мобильных устройств, компьютеров и будущих технологий обработки данных», — говорит доктор Бин Чжао, исследователь физики квантовых устройств в Чалмерсе и ведущий автор исследования.
В физике и технике обычно рассматриваются два фундаментальных магнитных состояния: ферромагнетизм и антиферромагнетизм
Ферромагнетизм — это знакомое явление (наблюдаемое в обычных магнитах), которое притягивает такие материалы, как железо, никель или кобальт. В этом состоянии электроны выравниваются равномерно — как солдаты в строю — создавая единое магнитное поле, которое можно увидеть снаружи.
В отличие от этого, антиферромагнетизм включает в себя электроны с противоположными спинами, в результате чего их магнитные состояния нейтрализуют друг друга. Сочетание этих двух противоположных сил даёт значительные научные и технические преимущества, делая их идеальными для компьютерной памяти и датчиков. Но до сих пор это было возможно только путём укладки различных ферромагнитных и антиферромагнитных материалов в многослойные структуры.
«В отличие от этих сложных многослойных систем, нам удалось интегрировать обе магнитные силы в единую двумерную кристаллическую структуру. Это как идеально собранная магнитная система — то, что невозможно было воспроизвести с помощью обычных материалов. Исследователи стремились к этой концепции с тех пор, как магнетизм впервые был применён в технологии памяти», — говорит Сародж П. Даш, профессор физики квантовых устройств в Чалмерсе и руководитель исследовательского проекта.
Для хранения информации устройства памяти должны переключать направление электронов внутри материала. В обычных материалах для этого обычно требуется внешнее магнитное поле, чтобы изменить ориентацию электронов. Однако новый материал Чалмерса имеет встроенную комбинацию противоположных магнитных сил, которые создают внутреннюю силу и наклонное общее магнитное выравнивание.
«Этот наклон позволяет электронам быстро и легко менять направление без необходимости во внешних магнитных полях. Устраняя необходимость в энергоёмких внешних магнитных полях, потребление энергии может быть снижено в 10 раз», — говорит доктор Чжао.
Материал представляет собой магнитный сплав, изготовленный из магнитных и немагнитных элементов (кобальта, железа, германия и теллура), что позволяет ферромагнетизму и антиферромагнетизму сосуществовать в единой структуре. В этих высокоэффективных устройствах памяти плёнки двумерных кристаллов укладываются слоями. В отличие от обычных материалов, скреплённых химическими связями, эти слои связаны силами Ван-дер-Ваальса.
«Материал с несколькими магнитными свойствами устраняет проблемы с интерфейсами в многослойных структурах и гораздо проще в изготовлении. Ранее многослойные магнитные плёнки создавали проблемные швы на стыках, что снижало надёжность и усложняло производство устройств», — говорит профессор Даш.
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса.
mobile technology and advanced data processing.»,»The article, \»Coexisting Non-Trivial Van der Waals Magnetic Orders Enable Field-Free Spin-Orbit Torque Magnetization Dynamics\» has been published in Advanced Materials.»,»Memory units are essential components in virtually all modern technologies that process and store information—AI systems, smartphones, computers, autonomous vehicles, household appliances and medical devices. Magnetism has emerged as a key player in the evolution of digital memory.»,»By harnessing the behavior of electrons in magnetic materials under external fields and electric currents, researchers can design memory chips that are faster, smaller and more energy-efficient.»,»However, the volume of data being stored, processed and transmitted is growing exponentially. Within a few decades, it is projected to account for nearly 30% of global energy consumption. This has prompted an urgent search for new approaches to building far more energy-efficient memory units—while unlocking entirely new technological opportunities.»,»Now, the Chalmers team is the first in the world to unveil how a novel, layered material combines two distinct magnetic forces, enabling a 10-fold reduction in energy consumption in memory devices.»,»\»Finding this coexistence of magnetic orders in a single, thin material is a breakthrough. Its properties make it exceptionally well-suited for developing ultra-efficient memory chips for AI, mobile devices, computers and future data technologies,\» says Dr. Bing Zhao, a researcher in quantum device physics at Chalmers and lead author of the study.»,»In physics and engineering, two fundamental magnetic states are typically considered: ferromagnetism and antiferromagnetism. Ferromagnetism is the familiar phenomenon (seen in everyday magnets) that attracts materials like iron, nickel or cobalt. In this state, electrons align uniformly—like soldiers in formation—creating a unified magnetic field that is externally visible.»,»In contrast, antiferromagnetism involves electrons with opposing spins, causing their magnetic states to cancel each other out. Combining these two opposing forces offers significant scientific and technical advantages, making them perfect for computer memory and sensors. But until now, this has only been possible by stacking different ferromagnetic and antiferromagnetic materials in multilayer structures.»,»\»Unlike these complex, multilayered systems, we’ve succeeded in integrating both magnetic forces into a single, two-dimensional crystal structure. It’s like a perfectly pre-assembled magnetic system—something that couldn’t be replicated using conventional materials. Researchers have been chasing this concept since magnetism was first applied to memory technology,\» says Saroj P. Dash, Professor of Quantum Device Physics at Chalmers and leader of the research project.»,»To store information, memory devices must switch the direction of electrons within a material. With conventional materials, this typically requires an external magnetic field to alternate the electron orientation. Chalmers’ new material, however, features a built-in combination of opposing magnetic forces that create an internal force and tilted overall magnetic alignment.»,»\»This tilt allows electrons to switch direction rapidly and easily without the need for any external magnetic fields. By eliminating the need for power-hungry external magnetic fields, power consumption can be reduced by a factor of 10,\» says Dr. Zhao.»,»The material features a magnetic alloy made from both magnetic and non-magnetic elements (cobalt, iron, germanium and tellurium), allowing ferromagnetism and antiferromagnetism to coexist within a single structure. In these highly efficient memory devices, films of the two-dimensional crystals are stacked in layers. Unlike conventional materials held together by chemical bonds, these layers are bound by van der Waals forces.»,»\»A material with multiple magnetic behaviors eliminates interface issues in multilayer stacks and is far easier to manufacture. Previously, stacking multiple magnetic films introduced problematic seams at the interfaces, which compromised reliability and complicated device production,\» says Prof. Dash.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tChalmers University of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник