原子三明治可以将计算机功耗降低100倍

劳伦斯伯克利国家实验室和康奈尔大学的 科学家开发了一种新型的多铁性材料-一种兼具磁性和电学性质的材料。有了它的帮助，将来将有可能创建具有更高计算能力和更低能耗的新一代设备。

多铁材料是具有至少三种特性中的两种的材料：铁磁性（在磁化期间铁保持该状态的特性），铁电（自发偶极矩的发生）或铁弹性（自发变形）。研究人员在工作中成功地将铁磁体和铁电材料结合在一起，以便可以在接近室温的温度下使用电场来控制其位置。



该研究的作者构建了氧化铁（LuFeO3）的六角形原子膜。该材料具有明显的铁电和磁性。它由氧化mono和氧化铁的交替单层组成。为了制造“原子三明治”，科学家们转向了分子束外延技术。这使得将两种不同的材料逐个原子地逐层组装在一起成为可能。在组装过程中，发现如果在这些交替的每十个中额外引入一层氧化铁，则可以完全改变材料的特性并获得明显的磁效应。在他们的工作中，他们使用了原子力显微镜的5伏传感器来上下切换铁电体的极化，从而形成了同心正方形的几何图案。

实验室测试表明，可以使用电场来控制磁原子和电原子。实验是在200-300开氏温度（-73-26摄氏度）的温度下进行的。以前的所有开发仅在较低的温度下有效。由劳伦斯·伯克利实验室和康奈尔大学联合创建的Multiferroic是第一种可以在接近室温的温度下进行控制的材料。 “与我们的新材料一起，目前已知只有四种在室温下表现出多铁性。康奈尔大学教授达雷尔·施洛姆（Darrell Schlom）说，但是只有其中之一可以使用电场来控制磁极化，他是这项研究的主要参与者之一。该成就可进一步用于创建低功耗微处理器，下一代数据存储设备和电子产品。

在不久的将来，科学家计划探索降低电压阈值的可能性，这是改变极化方向所必需的。为此，他们将对各种基材进行实验以创建新材料。伯克利劳伦斯国家实验室副主任Ramamurti Ramesh说：“我们想证明多铁性电压将在半伏特和五伏特下工作。”此外，他们希望在不久的将来创建一种基于multiferroik的工作设备。

对于Ramesh来说，这不是第一个成就。 2003年，他和他的团队成功创建了最有名的多铁化合物之一的薄膜-铁酸铋（BiFeO3）。致密的铋铁氧体是一种绝缘材料，可以与之分离的薄膜可以在室温下导电。创建多铁性材料领域的另一项重大成就也可以追溯到2003年。然后，Tokur Kemur团队发现了这类新材料，其中磁性引起铁电性能。这些成就成为该领域主要思想的起点。

这些材料在实际应用中具有巨大潜力的认识导致多铁材料的飞速发展。与现代半导体器件相比，它们读取和写入数据所需的能量少得多。另外，关闭电源后该数据不会变为零。这些特性使设计具有足够短电脉冲而不是现代设备所需的直流电的设备成为可能。根据新的多铁性材料的创建者的说法，使用该技术的设备将消耗的电量减少100倍。

如今，全球能源消耗中约有5％用于电子产品。如果在不久的将来未能在这一领域取得重大成就，这将导致能耗降低，那么到2030年，这一数字将增加到40-50％。根据美国能源信息署的数据，2013年全球能源消耗为157.581 TWh。2015年，由于中国增长下降和美国下降，世界消费停滞。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN398595/