Atomik kalın manyetik hafıza: Depolama yoğunluğunu artırması ve enerji tüketimini azaltması bekleniyor!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri Washington Üniversitesi tarafından yönetilen bilimsel bir araştırma ekibi, manyetik malzemelerle ilgili çalışmaları daha da ilerletti ve bilgileri kodlamak için yalnızca birkaç atomik katman kalınlığına sahip mıknatıslar kullandılar. Bu atılım, daha yüksek yoğunluklu veri depolamaya ve gelişmiş enerji verimliliğine yol açacak ve böylece bilgi işlem teknolojisinde ve tüketici elektroniğinde devrim yaratacaktır.
arka fon
Manyetik malzemeler, sabit disk depolama gibi modern dijital bilgi teknolojisinin önemli bir temelidir. Daha önce, yazar manyetik malzemelerle ilgili birçok yeniliği tanıttı ve ardından gözden geçirmenize izin verdi:
İlk olarak, Japonya'daki Hokkaido Üniversitesi'ndeki bilim adamları, manyetik ve manyetik olmayan sinyaller arasında hızlı ve güvenli bir şekilde geçiş yapabilen, katı hal sürücüleri ve USB flash sürücüler gibi geleneksel depolama cihazlarının depolama kapasitesini ikiye katlayacak bir depolama malzemesi geliştirdi.
(Resim kaynağı: Hokkaido Üniversitesi, Japonya)
İkincisi, Almanya'daki Mainz Üniversitesi'ndeki fizikçiler, gelecekte kararlı ultra hızlı manyetik bellek getirmesi beklenen antiferromıknatıslarda dijital bilgileri okuyup yazıyorlar.
(Resim kaynağı: referans [2])
Üçüncüsü, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Minnesota Üniversitesi'nden araştırmacılar, gelecekte hesaplama ve depolamayı iyileştirecek olan, manyetore direnç etkisini içeren yeni bir tür topolojik yalıtkan geliştirdiler.
(Resim kaynağı: Minnesota Üniversitesi)
Dördüncüsü, Singapur Ulusal Üniversitesi'nin araştırma ekibi, manyetik bellek yongalarını plastik malzemelere ve esnek malzemeler üzerine üretilmiş bellek yongalarına başarıyla yerleştirdi. Bu çalışmadaki bellek yongası, verileri depolamak için magnezyum oksitin (MgO) manyetik tünel birleşimini kullanan Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) temeline dayanmaktadır.
(Resim kaynağı: Singapur Ulusal Üniversitesi)
Beşincisi, Japonya'daki Tohoku Üniversitesi'nden araştırmacılar, en son bilgisayar simülasyon modelini buldular: manyetik malzemelerdeki elektronları uyarmak ve onları geçici manyetik olmayan bir duruma geçirmek için ultra yüksek hızlı lazer darbeleri kullanmak, bu da malzemenin manyetik özelliklerini manipüle etme süresini kısaltabilir ve manyetik özellikleri iyileştirebilir. Depolama ve bilgi işleme teknolojisi.
(Resim kaynağı: Sumio Ishihara)
Yenilikçilik
Şu anda, Washington Üniversitesi liderliğindeki araştırma ekibi, manyetik malzemeler üzerindeki araştırmaları daha da ilerletiyor ve bilgiyi kodlamak için yalnızca birkaç atomik katman kalınlığında mıknatıslar kullanıyorlar. Bu çığır açan araştırma, daha yüksek yoğunluklu veri depolamaya yol açacak ve enerji verimliliğini artıracak, böylece bilgi işlem teknolojisinde ve tüketici elektronik cihazlarında devrim yaratacaktır.
Science dergisinde 3 Mayıs'ta çevrimiçi olarak yayınlanan bir makalede araştırmacılar, istifleme için elektronun dönüş yönüne (elektronun "dönüşünün" olduğu yerde) göre ultra ince malzemeler kullandıklarını bildirdi. Minyatür atom altı mıknatıslara benzer şekilde), elektron akışının benzeri görülmemiş kontrolü. 2017 yılında ilk iki boyutlu manyetik izolatör olarak tanımlanan krom triiyodür (CrI3) dahil malzemeler kullandılar. Dört katmanlı pullar (her katman yalnızca bir atom kalınlığındadır), elektronların dönüşüne bağlı olarak elektron akışını engelleyebilen ve diğer yöntemlerden 10 kat daha fazla kontrol sağlayabilen bugüne kadarki en ince sistemi oluşturur.
Aşağıdaki şekil, krom triiyodidin (CrI3) kristal yapısının şematik bir diyagramıdır.Krom atomları mor ile ve iyot atomları sarı ile gösterilmiştir. Siyah ok, küçük bir çubuk mıknatısı andıran elektronun "dönüşünü" temsil eder.
(Resim kaynağı: Tiancheng Song)
teknoloji
23 Nisan'da Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan ilgili bir makalede ekip, böyle atomik olarak kalın bir mıknatısın manyetik özelliklerini elektriksel olarak kontrol etmenin bir yolunu araştırdı.
Makalenin ilgili yazarı, Washington Üniversitesi'nde fizik ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü ve Washington Üniversitesi Temiz Enerji Enstitüsü'nden bir araştırmacı olan Xiaodong Xu, şunları söyledi: "Bilginin patlayıcı bir şekilde artmasıyla, veri depolama yoğunluğunun nasıl artırılacağı ve operasyonel enerji tüketiminin nasıl azaltılacağı oldukça zor. Tüm araştırma çalışmalarını birleştirerek, mevcut teknolojilerin enerji tüketiminden birkaç kat daha düşük olan atomik olarak kalın bir manyetik bellek tasarlaması bekleniyor. "
"Science" dergisinde yayınlanan bu makale, bu materyalin, her bir yaprakta elektron spinini kullanabilen yeni bir bellek türü getirmek için nasıl kullanılacağını da inceledi.
Araştırmacılar, bir sandviç gibi iki kat grafen iletken levha arasına sıkıştırılmış iki CrI3 katmanı kullandılar.CrI3'ün her katmanı arasındaki elektron dönüşlerinin hizalanmasına göre, elektronlar iki grafen levha katmanı arasında engelsiz veya büyük akabilir. Kısmen engellendi. Bu iki konfigürasyon, bilgileri kodlamak için bitler (günlük hesaplamalarda kullanılan ikili 0'lar ve 1'ler) olarak kullanılabilir.
(Resim kaynağı: Tiancheng Song)
Makalenin eşbaşkanlarından biri ve Washington Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora sonrası araştırmacı olan Xinghan Cai şunları söyledi: "Bu hafızanın işlevsel birimi manyetik bir tünel birleşimidir (MTJ). Tünel kavşağındaki elektronlara dayanan manyetik bir" kapı ". Döndürme hizalaması, elektronların içinden akmasına izin verir veya engeller. Bu tür bir kapı, küçük veri depolamanın gerçekleştirilmesinin anahtarıdır. "
Ekip, dört adede kadar CrI3 katmanıyla "çok bitli" bilgi depolama potansiyelini keşfetti. İki CrI3 katmanında, her katman arasındaki elektron dönüşleri aynı yönde veya zıt yönlerde hizalanabilir, bu da manyetik kapıdan akan elektronların farklı oranlarına neden olur. Bununla birlikte, üç ve dört katmanla, her katman arasında daha fazla elektron dönüşü kombinasyonu vardır, bu da manyetik malzemeden bir grafen tabakadan diğerine akan birçok farklı elektron oranını getirir. .
Washington Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora öğrencisi ve makalenin ortak yazarı olan Bevin Huang şunları söyledi: "Bilgisayarınız, bir veri parçasını depolamak için yalnızca iki yöntem yerine A, B, C ve hatta D ve hatta daha fazla seçeneğe sahip olabilir. Bu nedenle, CrI3 tünel bağlantı noktasını kullanarak Daha verimli ve aslında daha fazla veri depolayabilir. "
değer
Washington Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora öğrencisi ve tezin ortak baş yazarlarından biri olan Tiancheng Song, "Araştırmamız, manyetik teknolojiye dayalı bilgi depolamanın atom kalınlığına ulaşmasının beklendiğini gösteriyor." Dedi.
Araştırmacıların materyalleri ve yöntemleri, mevcut teknolojiye göre önemli ölçüde geliştirildi. Aynı çalışma koşulları altında, magnezyum oksit malzeme daha kalındır ve elektron akışını önlemenin etkisi daha kötüdür ve çok bitli bilgi depolama seçeneğinden yoksundur.
Xu şunları söyledi: "Cihazlarımız şu anda orta derecede bir manyetik alan gerektiriyor ve yalnızca düşük sıcaklıklarda çalışabiliyor ve mevcut teknolojilere uyarlanamasa da, ekipmanın tasarım konsepti ve çalışma prensibi yepyeni ve çığır açıyor. Elektriksel kontrol geliştirmeyi umuyoruz. Mekanizma ve bazı yeni işlevler, bu tünel bağlantılarının yüksek sıcaklık koşullarında normal şekilde çalışmasına, daha az manyetik alan gerektirmesine ve hatta hiç manyetik alan olmamasına izin veriyor. Bu, yeni depolama teknolojilerine büyük değişiklikler getirecek. "
Anahtar kelime
Manyetizma, depolama, döndürme, elektron
Referans
[1]
[2] S. Y. Bodnar et al., Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 Ocak 2018, DOI: 10.1038 / s41467-017-02780-x
3 Tiancheng Song, Xinghan Cai, Matisse Wei-Yuan Tu, Xiaoou Zhang, Bevin Huang, Nathan P. Wilson, Kyle L. Seyler, Lin Zhu, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael A. McGuire, David H. Cobden, Di Xiao, Wang Yao, Xiaodong Xu. Döndürme filtreli van der Waals heteroyapılarında dev tünelleme manyeto direnci . Science, 2018; eaar4851 DOI: 10.1126 / science.aar4851
