Les sandwichs atomiques peuvent réduire la consommation d'énergie de l'ordinateur de 100 fois

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l'Université Cornell ont mis au point un nouveau multiferroïque - un matériau qui combine à la fois les propriétés magnétiques et électriques. Avec son aide, il sera possible à l'avenir de créer une nouvelle génération d'appareils avec plus de puissance de calcul et moins de consommation d'énergie.

Les multiferroïques sont des matériaux qui présentent au moins deux des trois propriétés: le ferromagnétisme (la propriété du fer lors de la magnétisation pour maintenir cet état), le ferroélectrisme (l'apparition d'un moment dipolaire spontané) ou le ferroélasticisme (déformation spontanée). Dans leur travail, les chercheurs ont réussi à combiner des matériaux ferromagnétiques et ferroélectriques afin que leur emplacement puisse être contrôlé à l'aide d'un champ électrique à une température proche de la température ambiante.



Les auteurs de l'étude ont construit des films atomiques hexagonaux d'oxyde de fer et de lutécium (LuFeO3). Le matériau a des propriétés ferroélectriques et magnétiques prononcées. Il consiste en une alternance de monocouches d'oxyde de lutétium et d'oxyde de fer. Pour créer un «sandwich atomique», les scientifiques se sont tournés vers la technologie d'épitaxie par jets moléculaires. Il a permis d'assembler deux matériaux différents en un seul, atome par atome, couche par couche. Lors de l'assemblage, il a été constaté que si vous introduisez une couche supplémentaire d'oxyde de fer à travers chacune de ces dix alternances, vous pouvez complètement changer les propriétés du matériau et obtenir un effet magnétique prononcé. Dans leur travail, ils ont utilisé un capteur de 5 volts d'un microscope à force atomique pour commuter la polarisation des ferroélectriques de haut en bas, créant un motif géométrique de carrés concentriques.

Des tests en laboratoire ont montré que les atomes magnétiques et électriques peuvent être contrôlés à l'aide d'un champ électrique. L'expérience a été réalisée à une température de 200-300 Kelvin (-73 - 26 degrés Celsius). Tous les développements précédents ne fonctionnaient qu'à des températures plus basses. Le multiferroïque, créé conjointement par le laboratoire Lawrence Berkeley et l'Université Cornell, est le premier matériau pouvant être contrôlé à des températures proches de la température ambiante. «Avec notre nouveau matériau, seuls quatre sont maintenant connus qui présentent les propriétés du multiferroïque à température ambiante. Mais dans un seul d'entre eux, la polarisation magnétique peut être contrôlée à l'aide d'un champ électrique », a déclaré Darrell Schlom, professeur à l'Université Cornell, qui est l'un des principaux participants à l'étude.Cette réalisation peut être davantage utilisée pour créer des microprocesseurs basse consommation, des dispositifs de stockage de données de nouvelle génération et de l'électronique.

Dans un avenir proche, les scientifiques envisagent d'explorer la possibilité d'abaisser le seuil de tension, ce qui est nécessaire pour changer la direction de la polarisation. Pour ce faire, ils vont mener des expériences avec différents substrats pour créer de nouveaux matériaux. "Nous voulons montrer que le multiferroïque fonctionnera aussi bien à un demi-volt qu'à cinq", a déclaré Ramamurti Ramesh, directeur adjoint du Berkeley Lawrence National Laboratory. En outre, ils prévoient de créer un appareil fonctionnel basé sur multiferroik dans un avenir proche.

Pour Ramesh, ce n'est pas la première réalisation. En 2003, lui et son groupe ont créé avec succèsun film mince de l'un des plus célèbres multiferroïdes - ferrite de bismuth (BiFeO3). Les masses denses de ferrite de bismuth sont un matériau isolant et les films qui peuvent en être séparés peuvent conduire l'électricité à température ambiante. Une autre réalisation majeure dans le domaine de la création de multiferroïdes remonte également à 2003. Puis l'équipe de Tokur Kemur a découvert une nouvelle classe de ces matériaux, dans laquelle le magnétisme provoque des propriétés ferroélectriques. Ce sont ces réalisations qui sont devenues le point de départ des principales idées dans ce domaine.

La prise de conscience que ces matériaux ont un grand potentiel d'application pratique a conduit au développement extrêmement rapide des multiferroïdes. Ils nécessitent beaucoup moins d'énergie pour lire et écrire des données que les dispositifs semi-conducteurs modernes. De plus, ces données ne reviennent pas à zéro après la mise hors tension. Ces propriétés permettent de concevoir des appareils ayant des impulsions électriques suffisamment courtes au lieu du courant continu requis pour les appareils modernes. Selon les créateurs du nouveau multiferroïque, les appareils utilisant cette technologie consommeront 100 fois moins d'électricité.

Aujourd'hui, environ 5% de la consommation mondiale d'énergie est destinée à l'électronique. Si de graves réalisations dans ce domaine ne sont pas réalisées dans un proche avenir, ce qui entraînera une réduction de la consommation d'énergie, ce chiffre passera à 40-50% d'ici 2030. Selon la US Energy Information Administration , en 2013, la consommation mondiale d'énergie était de 157,581 TWh. En 2015, une stagnation de la consommation mondiale a été observée en raison d'une baisse de la croissance en Chine et d'une baisse aux USA.

Source: https://habr.com/ru/post/fr398595/