يمكن أن تقلل السندويشات الذرية من استهلاك طاقة الكمبيوتر بنسبة 100 مرة

العلماء في باسم المختبر الوطني لورانس بيركلي و جامعة كورنيل قد وضعت multiferroic جديد - المواد التي تجمع كلا من الخصائص المغناطيسية والكهربائية. بمساعدتها ، سيكون من الممكن في المستقبل إنشاء جيل جديد من الأجهزة ذات طاقة حوسبة أكبر واستهلاك أقل للطاقة.

Multiferroics هي المواد التي تظهر اثنين على الأقل من الخصائص الثلاثة: المغناطيسية الحديدية (خاصية الحديد أثناء التمغنط للحفاظ على هذه الحالة) ، والكهرباء الحديدية (حدوث عزم ثنائي القطب عفوي) ، أو المرونة الحديدية (تشوه عفوي). نجح الباحثون في عملهم في دمج المواد المغناطيسية الحديدية والكهربائية بحيث يمكن التحكم في موقعهم باستخدام مجال كهربائي عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة.



قام مؤلفو الدراسة ببناء أغشية ذرية سداسية لأكسيد الحديد اللوتيتيوم (LuFeO3). وظهرت المادة الخصائص الكهربائية والكهربائية المغناطيسية. وتتكون من طبقات أحادية متبادلة من أكسيد اللوتيتيوم وأكسيد الحديد. ولإنشاء "شطيرة ذرية" ، لجأ العلماء إلى تقنية جزيئات الشعاع الجزيئي. جعل من الممكن تجميع مادتين مختلفتين في واحدة ، ذرة تلو ذرة ، طبقة تلو الأخرى. أثناء التجميع ، وجد أنه إذا أدخلت طبقة إضافية واحدة من أكسيد الحديد من خلال كل عشرة من هذه البدائل ، فيمكنك تغيير خصائص المادة تمامًا والحصول على تأثير مغناطيسي واضح. في عملهم ، استخدموا مستشعرًا بجهد 5 فولت من مجهر القوة الذرية لتغيير استقطاب الأجهزة الكهربائية الحديدية لأعلى ولأسفل ، مما أدى إلى إنشاء نمط هندسي للمربعات المتحدة المركز.

أظهرت الاختبارات المعملية أنه يمكن التحكم في الذرات المغناطيسية والكهربائية باستخدام مجال كهربائي. أجريت التجربة عند درجة حرارة 200-300 كلفن (-73-26 درجة مئوية). عملت جميع التطورات السابقة فقط في درجات حرارة منخفضة. Multiferroic ، التي تم إنشاؤها بشكل مشترك من قبل مختبر لورانس بيركلي وجامعة كورنيل ، هي المادة الأولى التي يمكن التحكم فيها في درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. "مع موادنا الجديدة ، لا يُعرف إلا أربعة منها فقط تظهر خصائص الصفائح المتعددة في درجة حرارة الغرفة. قال داريل شلوم ، الأستاذ في جامعة كورنيل ، وهو أحد المشاركين الرئيسيين في الدراسة ، "في واحد منهم فقط يمكن التحكم في الاستقطاب المغناطيسي باستخدام مجال كهربائي".يمكن استخدام هذا الإنجاز أيضًا لإنشاء معالجات دقيقة منخفضة الطاقة وأجهزة تخزين البيانات والالكترونيات من الجيل التالي.

في المستقبل القريب ، يخطط العلماء لاستكشاف إمكانية خفض عتبة الجهد ، وهو أمر ضروري لتغيير اتجاه الاستقطاب. للقيام بذلك ، سيقومون بإجراء تجارب مع ركائز مختلفة لإنشاء مواد جديدة. وقال رامامورتي راميش ، نائب مدير مختبر بيركلي لورانس الوطني: "نريد أن نبين أن مولتيفرويك ستعمل بنصف فولت وخمس". بالإضافة إلى ذلك ، يتوقعون إنشاء جهاز يعمل على أساس multiferroik في المستقبل القريب.

بالنسبة لراميش ، هذا ليس الإنجاز الأول. في عام 2003 ، أنشأ هو ومجموعته بنجاحفيلم رقيق لواحد من أشهر أنواع multiferroics - البزموت الفريت (BiFeO3). الكتل الكثيفة من الفريت البزموت هي مادة عازلة ، والأفلام التي يمكن فصلها عنها يمكن أن توصل الكهرباء في درجة حرارة الغرفة. يعود الإنجاز الرئيسي الآخر في مجال إنشاء multiferroics إلى عام 2003. ثم اكتشف فريق توكور كيمور فئة جديدة من هذه المواد ، حيث تسبب المغناطيسية خصائص الخواص الكهربائية. كانت هذه الإنجازات هي نقطة الانطلاق للأفكار الرئيسية في هذا المجال.

إن إدراك أن هذه المواد لديها إمكانات كبيرة للتطبيق العملي قد أدى إلى التطور السريع للغاية في multiferroics. تتطلب طاقة أقل بكثير لقراءة البيانات وكتابتها من أجهزة أشباه الموصلات الحديثة. بالإضافة إلى ذلك ، لا تتحول هذه البيانات إلى الصفر بعد فصل الطاقة. هذه الخصائص تجعل من الممكن تصميم الأجهزة التي تحتوي على نبضات كهربائية قصيرة بما فيه الكفاية بدلاً من التيار المباشر المطلوب للأجهزة الحديثة. وفقًا لمبدعي Multiferroic الجديد ، ستستهلك الأجهزة التي تستخدم هذه التقنية كهرباء أقل 100 مرة.

اليوم ، حوالي 5 ٪ من استهلاك الطاقة العالمي في مجال الإلكترونيات. إذا لم تتحقق إنجازات جادة في هذا المجال في المستقبل القريب ، مما سيؤدي إلى انخفاض في استهلاك الطاقة ، فإن هذا الرقم سيرتفع إلى 40-50٪ بحلول عام 2030. وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية ، في عام 2013 ، كان استهلاك الطاقة العالمي 157.581 تيراواط ساعة. في عام 2015 ، لوحظ ركود في الاستهلاك العالمي بسبب انخفاض النمو في الصين وانخفاض في الولايات المتحدة الأمريكية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar398595/