Sanduíches atômicos podem reduzir o consumo de energia do computador em 100 vezes

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade Cornell desenvolveram um novo multiferróico - um material que combina propriedades magnéticas e elétricas. Com sua ajuda, no futuro será possível criar uma nova geração de dispositivos com mais poder computacional e menor consumo de energia.

Multiferróicos são materiais que exibem pelo menos duas das três propriedades: ferromagnetismo (a propriedade do ferro durante a magnetização para manter esse estado), ferroeletrismo (a ocorrência de um momento dipolar espontâneo) ou ferroelasticismo (deformação espontânea). Os pesquisadores em seu trabalho combinaram com sucesso materiais ferromagnéticos e ferroelétricos para que sua localização possa ser controlada usando um campo elétrico a uma temperatura próxima à temperatura ambiente.



Os autores do estudo construíram filmes atômicos hexagonais de óxido de ferro e lutécio (LuFeO3). O material tem propriedades ferroelétricas e magnéticas pronunciadas. Consiste em monocamadas alternadas de óxido de lutécio e óxido de ferro. Para criar um "sanduíche atômico", os cientistas se voltaram para a tecnologia de epitaxia por feixe molecular. Tornou possível montar dois materiais diferentes em um, átomo por átomo, camada por camada. Durante a montagem, verificou-se que se você introduzir uma camada adicional de óxido de ferro em cada dez dessas alternâncias, poderá alterar completamente as propriedades do material e obter um efeito magnético pronunciado. Em seu trabalho, eles usaram um sensor de 5 volts de um microscópio de força atômica para alternar a polarização dos ferroelétricos para cima e para baixo, criando um padrão geométrico de quadrados concêntricos.

Testes de laboratório mostraram que átomos elétricos e magnéticos podem ser controlados usando um campo elétrico. O experimento foi realizado a uma temperatura de 200-300 Kelvin (-73 - 26 graus Celsius). Todos os desenvolvimentos anteriores funcionaram apenas em temperaturas mais baixas. O multiferróico, criado em conjunto pelo Lawrence Berkeley Laboratory e pela Cornell University, é o primeiro material que pode ser controlado em temperaturas próximas à temperatura ambiente. “Juntamente com nosso novo material, agora são conhecidos apenas quatro que exibem as propriedades do multiferróico à temperatura ambiente. Mas apenas em um deles a polarização magnética pode ser controlada usando um campo elétrico ”, disse Darrell Schlom, professor da Universidade Cornell, que é um dos principais participantes do estudo.Essa conquista pode ser usada ainda mais para criar microprocessadores de baixa potência, dispositivos de armazenamento de dados da próxima geração e eletrônicos.

Em um futuro próximo, os cientistas planejam explorar a possibilidade de diminuir o limite de tensão, necessário para mudar a direção da polarização. Para fazer isso, eles vão realizar experimentos com vários substratos para criar novos materiais. "Queremos mostrar que o multiferróico funcionará tanto a meio volt quanto a cinco", disse Ramamurti Ramesh, vice-diretor do Laboratório Nacional Berkeley Lawrence. Além disso, eles esperam criar um dispositivo de trabalho baseado em multiferroik em um futuro próximo.

Para Ramesh, essa não é a primeira conquista. Em 2003, ele e seu grupo criaram com sucessoum filme fino de uma das ferritas de bismuto multiferróicas mais famosas (BiFeO3). Massas densas de ferrita de bismuto são um material isolante e os filmes que podem ser separados podem conduzir eletricidade à temperatura ambiente. Outra grande conquista no campo da criação de multiferróicos também remonta a 2003. Então a equipe de Tokur Kemur descobriu uma nova classe desses materiais, na qual o magnetismo causa propriedades ferroelétricas. Foram essas conquistas que se tornaram o ponto de partida para as principais idéias nessa área.

A constatação de que esses materiais têm grande potencial para aplicação prática levou ao desenvolvimento extremamente rápido de multiferróicos. Eles exigem muito menos energia para ler e gravar dados do que os dispositivos semicondutores modernos. Além disso, esses dados não são zerados após desligar a energia. Essas propriedades tornam possível projetar dispositivos que tenham pulsos elétricos curtos o suficiente em vez da corrente direta necessária para dispositivos modernos. Segundo os criadores do novo multiferróico, os dispositivos que utilizam essa tecnologia consumirão 100 vezes menos eletricidade.

Hoje, cerca de 5% do consumo global de energia é em eletrônicos. Se realizações sérias nesta área não forem alcançadas em um futuro próximo, o que levará a uma redução no consumo de energia, esse número aumentará para 40-50% até 2030. De acordo com a US Energy Information Administration , em 2013, o consumo global de energia foi de 157.581 TWh. Em 2015, foi observada estagnação no consumo mundial devido à diminuição do crescimento na China e ao declínio nos EUA.

Source: https://habr.com/ru/post/pt398595/