Los emparedados atómicos pueden reducir el consumo de energía de la computadora en 100 veces

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de Cornell han desarrollado un nuevo multiferroico, un material que combina propiedades magnéticas y eléctricas. Con su ayuda, en el futuro será posible crear una nueva generación de dispositivos con más potencia informática y menos consumo de energía.

Los multiferroicos son materiales que exhiben al menos dos de las tres propiedades: ferromagnetismo (la propiedad del hierro durante la magnetización para mantener este estado), ferroelectrismo (la ocurrencia de un momento dipolar espontáneo) o ferroelasticismo (deformación espontánea). Los investigadores en su trabajo combinaron con éxito ferromagnet y materiales ferroeléctricos para poder controlar su ubicación utilizando un campo eléctrico a una temperatura cercana a la temperatura ambiente.



Los autores del estudio construyeron películas atómicas hexagonales de óxido de lutecio de hierro (LuFeO3). El material tiene propiedades ferroeléctricas y magnéticas pronunciadas. Se compone de monocapas alternas de óxido de lutecio y óxido de hierro. Para crear un "emparedado atómico", los científicos recurrieron a la tecnología de epitaxia de haz molecular. Permitió ensamblar dos materiales diferentes en uno, átomo por átomo, capa por capa. Durante el ensamblaje, se descubrió que si introduce una capa adicional de óxido de hierro a través de cada diez de estas alternancias, puede cambiar completamente las propiedades del material y obtener un efecto magnético pronunciado. En su trabajo, utilizaron un sensor de 5 voltios de un microscopio de fuerza atómica para cambiar la polarización de los ferroeléctricos hacia arriba y hacia abajo, creando un patrón geométrico de cuadrados concéntricos.

Las pruebas de laboratorio han demostrado que los átomos magnéticos y eléctricos pueden controlarse utilizando un campo eléctrico. El experimento se llevó a cabo a una temperatura de 200-300 Kelvin (-73 - 26 grados Celsius). Todos los desarrollos anteriores funcionaron solo a temperaturas más bajas. Multiferroic, creado conjuntamente por el Laboratorio Lawrence Berkeley y la Universidad de Cornell, es el primer material que se puede controlar a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. “Junto con nuestro nuevo material, ahora solo se conocen cuatro que exhiben las propiedades del multiferroico a temperatura ambiente. Pero solo en uno de ellos se puede controlar la polarización magnética utilizando un campo eléctrico ”, dijo Darrell Schlom, profesor de la Universidad de Cornell, uno de los principales participantes en el estudio.Este logro se puede utilizar para crear microprocesadores de baja potencia, dispositivos de almacenamiento de datos de próxima generación y dispositivos electrónicos.

En un futuro cercano, los científicos planean explorar la posibilidad de reducir el umbral de voltaje, que es necesario para cambiar la dirección de polarización. Para hacer esto, van a realizar experimentos con varios sustratos para crear nuevos materiales. "Queremos demostrar que el multiferroico funcionará a medio voltio y a cinco", dijo Ramamurti Ramesh, subdirector del Laboratorio Nacional Berkeley Lawrence. Además, esperan crear un dispositivo de trabajo basado en multiferroik en el futuro cercano.

Para Ramesh, este no es el primer logro. En 2003, él y su grupo crearon con éxitoUna película delgada de uno de los multiferroicos más famosos: la ferrita de bismuto (BiFeO3). Las densas masas de ferrita de bismuto son un material aislante, y las películas que se pueden separar de él pueden conducir electricidad a temperatura ambiente. Otro logro importante en el campo de la creación de multiferroicos también se remonta a 2003. Luego, el equipo de Tokur Kemur descubrió una nueva clase de estos materiales, en los que el magnetismo causa propiedades ferroeléctricas. Fueron estos logros los que se convirtieron en el punto de partida para las ideas principales en esta área.

La constatación de que estos materiales tienen un gran potencial para la aplicación práctica ha llevado al desarrollo extremadamente rápido de los multiferroicos. Requieren mucha menos energía para leer y escribir datos que los dispositivos semiconductores modernos. Además, estos datos no se ponen a cero después de apagar la alimentación. Estas propiedades permiten diseñar dispositivos que tienen pulsos eléctricos lo suficientemente cortos en lugar de la corriente continua requerida para los dispositivos modernos. Según los creadores del nuevo multiferroico, los dispositivos que utilizan esta tecnología consumirán 100 veces menos electricidad.

Hoy, alrededor del 5% del consumo mundial de energía se realiza en electrónica. Si no se logran logros serios en esta área en el futuro cercano, lo que conducirá a una reducción en el consumo de energía, esta cifra aumentará a 40-50% para 2030. Según la Administración de Información de Energía de EE. UU. , En 2013, el consumo de energía global fue de 157.581 TWh. En 2015, se observó un estancamiento en el consumo mundial debido a una disminución en el crecimiento en China y una disminución en los EE. UU.

Source: https://habr.com/ru/post/es398595/