Atomic Sandwiches können den Stromverbrauch des Computers um das 100-fache senken

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory und der Cornell University haben ein neues Multiferroikum entwickelt - ein Material, das sowohl magnetische als auch elektrische Eigenschaften kombiniert. Mit seiner Hilfe wird es in Zukunft möglich sein, eine neue Generation von Geräten mit mehr Rechenleistung und weniger Energieverbrauch zu schaffen.

Multiferroika sind Materialien, die mindestens zwei der drei Eigenschaften aufweisen: Ferromagnetismus (die Eigenschaft von Eisen während der Magnetisierung, um diesen Zustand aufrechtzuerhalten), Ferroelektrismus (das Auftreten eines spontanen Dipolmoments) oder Ferroelastizität (spontane Verformung). Die Forscher kombinierten in ihrer Arbeit erfolgreich ferromagnetische und ferroelektrische Materialien, so dass ihre Position mithilfe eines elektrischen Feldes bei einer Temperatur nahe Raumtemperatur gesteuert werden kann.



Die Autoren der Studie konstruierten hexagonale Atomfilme aus Eisenlutetiumoxid (LuFeO3). Das Material hat ausgeprägte ferroelektrische und magnetische Eigenschaften. Es besteht aus alternierenden Monoschichten aus Lutetiumoxid und Eisenoxid. Um ein „atomares Sandwich“ zu erstellen, wandten sich die Wissenschaftler der Molekularstrahlepitaxietechnologie zu. Es war möglich, zwei verschiedene Materialien Schicht für Schicht Atom für Atom zu einem zusammenzusetzen. Während des Zusammenbaus wurde festgestellt, dass Sie die Eigenschaften des Materials vollständig ändern und einen ausgeprägten magnetischen Effekt erzielen können, wenn Sie alle zehn derartigen Wechsel eine zusätzliche Schicht Eisenoxid einführen. In ihrer Arbeit verwendeten sie einen 5-Volt-Sensor eines Rasterkraftmikroskops, um die Polarisation der Ferroelektrika auf und ab zu schalten und ein geometrisches Muster konzentrischer Quadrate zu erzeugen.

Labortests haben gezeigt, dass magnetische und elektrische Atome mit einem elektrischen Feld gesteuert werden können. Das Experiment wurde bei einer Temperatur von 200 bis 300 Kelvin (-73 bis 26 Grad Celsius) durchgeführt. Alle bisherigen Entwicklungen funktionierten nur bei niedrigeren Temperaturen. Multiferroic, gemeinsam vom Lawrence Berkeley Laboratory und der Cornell University entwickelt, ist das erste Material, das bei Temperaturen nahe Raumtemperatur kontrolliert werden kann. „Zusammen mit unserem neuen Material sind nur noch vier bekannt, die bei Raumtemperatur die Eigenschaften von Multiferroic aufweisen. Aber nur in einem von ihnen kann die magnetische Polarisation mithilfe eines elektrischen Feldes gesteuert werden “, sagte Darrell Schlom, Professor an der Cornell University, der einer der Hauptteilnehmer an der Studie ist.Diese Errungenschaft kann weiter genutzt werden, um Mikroprozessoren mit geringem Stromverbrauch, Datenspeichergeräte der nächsten Generation und Elektronik herzustellen.

In naher Zukunft planen Wissenschaftler, die Möglichkeit einer Absenkung der Spannungsschwelle zu untersuchen, die zur Änderung der Polarisationsrichtung erforderlich ist. Zu diesem Zweck werden sie Experimente mit verschiedenen Substraten durchführen, um neue Materialien herzustellen. "Wir wollen zeigen, dass Multiferroic sowohl bei einem halben als auch bei fünf Volt funktioniert", sagte Ramamurti Ramesh, stellvertretender Direktor des Berkeley Lawrence National Laboratory. Darüber hinaus erwarten sie, in naher Zukunft ein auf Multiferroik basierendes Arbeitsgerät zu entwickeln.

Für Ramesh ist dies nicht die erste Errungenschaft. Im Jahr 2003 schufen er und seine Gruppe erfolgreichEin dünner Film aus einem der bekanntesten Multiferroika - Wismutferrit (BiFeO3). Dichte Wismutferritmassen sind ein Isoliermaterial, und Filme, die davon getrennt werden können, können bei Raumtemperatur Elektrizität leiten. Eine weitere wichtige Errungenschaft auf dem Gebiet der Schaffung von Multiferroics geht ebenfalls auf das Jahr 2003 zurück. Dann entdeckte das Team von Tokur Kemur eine neue Klasse dieser Materialien, bei der Magnetismus ferroelektrische Eigenschaften verursacht. Es waren diese Erfolge, die zum Ausgangspunkt für die Hauptideen in diesem Bereich wurden.

Die Erkenntnis, dass diese Materialien ein großes Potenzial für die praktische Anwendung haben, hat zu einer extrem schnellen Entwicklung von Multiferroika geführt. Sie benötigen viel weniger Energie zum Lesen und Schreiben von Daten als moderne Halbleiterbauelemente. Außerdem werden diese Daten nach dem Ausschalten nicht auf Null gesetzt. Diese Eigenschaften ermöglichen es, Geräte zu entwerfen, die ausreichend kurze elektrische Impulse anstelle des für moderne Geräte erforderlichen Gleichstroms haben. Laut den Entwicklern des neuen Multiferroic verbrauchen Geräte, die diese Technologie verwenden, 100-mal weniger Strom.

Heute entfallen rund 5% des weltweiten Energieverbrauchs auf die Elektronik. Wenn in naher Zukunft keine ernsthaften Erfolge in diesem Bereich erzielt werden, was zu einer Verringerung des Energieverbrauchs führen wird, wird diese Zahl bis 2030 auf 40-50% steigen. Nach Angaben der US Energy Information Administration betrug der weltweite Energieverbrauch 2013 157,581 TWh. Im Jahr 2015 war eine Stagnation des Weltverbrauchs aufgrund eines Wachstumsrückgangs in China und eines Rückgangs in den USA zu beobachten.

Source: https://habr.com/ru/post/de398595/