Znanstvenici s Instituta za znanost Tokio uspješno su dokazali da se magnetsko stanje nanomaterijala može kontrolirati električnim poljem, otvarajući put memorijskim uređajima koji troše tek djelić energije današnjih tehnologija.
Dok podatkovni centri i umjetna inteligencija gutaju sve više električne energije, pitanje energetske učinkovitosti memorijskih uređaja postaje ključno. Istraživački tim predvođen docentom Kei Shigematsuom sa Science Tokyo proučavao je ponašanje nanodjelića od multiferroičnog materijala BiFe0.9Co0.1O3 (BFCO), promjera oko 190 nanometara, i pokazao da električno polje može preokrenuti magnetsko stanje bez struje koja stvara toplinu.
Današnje magnetske memorije zapisuju podatke magnetskim poljem koje stvara električna struja. Ta metoda neizbježno rasipa energiju kao Jouleovu toplinu. Alternativa je koristiti izravno električno polje za promjenu magnetskog stanja, što bi memorijske uređaje učinilo znatno učinkovitijima. Multiferroični materijali, koji istovremeno posjeduju i električni i magnetski poredak, predstavljaju upravo takav put.
Od konvergentnog do divergentnog stanja
Tim je izradio nizove BFCO nanodjelića te ih proučavao s dvije komplementarne tehnike: piezoelektričnom mikroskopijom sila za mapiranje električne polarizacije i skenirajućom magnetometrijom s dušik-vakancijskim centrima za detekciju magnetskih polja. Svaki nanodjelić prvotno je imao “centripetalnu” strukturu polarizacije, gdje su vektori polarizacije bili usmjereni prema središtu. Primjena električnog polja transformirala je to stanje u “centrifugalno”, s vektorima usmjerenim prema van, što je dovelo do preokreta magnetizacije u obje ravnine.
Ključno je da se preokret ne događa jednostavnim okretanjem pojedinačnih elektronskih spinova. Magnetski moment rotira unutar lake ravnine, preferirane orijentacije magnetizacije u materijalu, kao odgovor na prebacivanje polarizacije. Upravo taj mehanizam omogućuje kontrolu koju Shigematsu opisuje kao “složene, ali upravljive magnetske konfiguracije na nanometarskim dimenzijama relevantnim za poluvodičke uređaje”.
Izvan binarnog zapisa
Ovo otkriće moglo bi značajno utjecati na sljedeću generaciju memorijskih tehnologija. Magnetske informacije zapisane električki i očitane magnetski kombiniraju nisku potrošnju energije s nepostojanošću, odnosno zadržavanjem podataka bez napajanja. U usporedbi sa strujnim tehnologijama poput spin-transfer torque magnetske RAM, ovaj pristup mogao bi značajno smanjiti potrošnju energije.
Ono što je posebno intrigantno jest mogućnost da složena struktura jednog nanodjelića u načelu može kodirati višestruka magnetska stanja. To otvara vrata memorijskim arhitekturama veće gustoće koje nadilaze jednostavno binarno pohranjivanje vrijednosti, gdje bi jedna ćelija mogla pohraniti više od jedne bitne informacije.
Studija, objavljena u časopisu Science Advances, pruža konkretan eksperimentalni temelj za dizajn memorijskih uređaja ultra-niske potrošnje. Pitanje koje se nameće jest koliko će vremena trebati da ova otkrića iz laboratorija stignu u komercijalnu upotrebu, posebice u industriji koja je često oprezna prema novim materijalima i proizvodnim procesima. No s obzirom na rastuće energetske zahtjeve umjetne inteligencije i oblaka, pritisak za energetski učinkovitijim rješenjima nikada nije bio veći.
Ovo je vrlo zanimljiv rezultat jer bi mogao riješiti jedan od ključnih problema moderne računalne infrastrukture: kako smanjiti energiju potrebnu za zapisivanje i promjenu podataka u memoriji. U klasičnoj magnetskoj memoriji magnetsko se stanje često mijenja pomoću električne struje. Struja pritom uzrokuje zagrijavanje i gubitke energije. Kod pristupa koji opisujete, električno polje izravno upravlja magnetskim stanjem nanodijelića multiferroičnog BFCO-a, pa za prebacivanje stanja nije potrebno protjecanje velike struje. To je posebno važno za memorije jer se bitovi mogu prikazati kao različita magnetska stanja: 0 → 1: električno polje preokrene magnetsko stanje 1 → 0: promjenom polja stanje se ponovno preokrene budući da nema potrebe za velikom strujom kroz materijal, mogu se smanjiti Jouleovo zagrijavanje i potrošnja energije Ipak, važno je naglasiti da ovo još nije gotova zamjena za današnji RAM ili flash memoriju. Eksperiment na nanodjelićima pokazuje fizički princip; za praktičan memorijski čip potrebno je dokazati da se takva stanja… Čitaj više »