Genombrott i magnetiskt kvantmaterial banar väg för ultra-snabba hållbara datorer

Bild 1 av 1
2D kvantmaterial magnetiskt
Forskarna har nu för första gången lyckats få en komponent baserad på ett tvådimensionellt magnetiskt kvantmaterial att fungera i rumstemperatur. Illustrationen föreställer en 2D-magnet som används som en effektiv källa och detektor för spinnpolariserade elektroner på grafen.

Upptäckten av nya kvantmaterial med magnetiska egenskaper tros öppna vägen för ultra-snabba och betydligt mer energieffektiva datorer och mobila enheter. Hittills har sådana material endast visat sig fungera vid extremt låga temperaturer. Nu har ett forskarlag vid Chalmers tekniska högskola lyckats få ett tvådimensionellt magnetiskt material att fungera vid rumstemperatur.

Den snabba expansionen av informationsteknologier genererar enorma mängder digital data som behöver lagras, bearbetas och kommuniceras. Detta leder till ett ökande behov av energi - som förutspås stå för över 30 procent av världens totala energiförbrukning år 2050. Utmaningen har lett till ett paradigmskifte inom materialvetenskapen. Forskning och utveckling inom tvådimensionella kvantmaterial som bara är några atomer tjocka har kommit att öppna nya dörrar för utvecklingen av hållbarare, snabbare och mer energieffektiv bearbetning och lagring av data i datorer och mobiler.

Det första atomtunna materialet som isolerades i ett laboratorium var grafen, ett tunt lager av grafit med en enda atoms tjocklek, vilket resulterade i Nobelpriset i fysik 2010. 2017 upptäcktes tvådimensionella material med magnetiska egenskaper för första gången. Magneter spelar en grundläggande roll i vår vardag, då de bland annat används i sensorer i bilar, hushållsapparater och datorer, och upptäckten banade väg för en mängd nya och mer hållbara teknologier.

Saroj Dash

– Tvådimensionella magnetiska material är mer hållbara eftersom de är atomiskt tunna och har unika magnetiska egenskaper som gör dem attraktiva för att utveckla nya energieffektiva och ultra-snabba tillämpningar för sensorer och avancerat magnetiskt minne och beräkningar. Det gör dem till lovande kandidater för en rad olika tillämpningar, säger Saroj Dash, professor i kvantkomponentfysik vid Chalmers tekniska högskola.

Först att demonstrera tvådimensionella magnetbaserade komponenter vid rumstemperatur

Tidigare har forskare bara kunnat demonstrera tvådimensionella magneter vid extremt kalla temperaturer i laboratoriemiljöer, så kallade kryogena temperaturer, något som har stått i vägen för en bredare tillämpning i samhället. Men nu har en grupp forskare vid Chalmers för första gången kunnat demonstrera en komponent baserad på ett nytt tvådimensionellt magnetiskt material vid rumstemperatur. De använde en järnbaserad legering (Fe5GeTe2) med grafen som kan användas som en källa och detektor för spinnpolariserade elektroner*. Genombrottet tros nu möjliggöra en rad tekniska tillämpningar inom industrin såväl som i vår vardag.

Bing Zhao

– Dessa 2D-magneter kan användas för att utveckla mycket mindre, snabbare och mer energieffektiva minneskomponenter i datorer. De kan också användas för att utveckla extremt känsliga magnetiska sensorer inom exempelvis biomedicin, miljöövervakning, navigering och kommunikation, förklarar Bing Zhao, postdoktor i kvantkomponentfysik och studiens försteförfattare.

Demonstrationen beskrivs i studien "Room Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure" som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials. Författarna till studien är Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal och Saroj P. Dash. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Uppsala universitet och Max-IV-laboratoriet vid Lunds universitet.

*Konventionella elektroniska logiska komponenter baseras på icke-magnetiska halvledare och använder elektrisk ström för informationsbearbetning och kommunikation. Spinntroniska enheter, å andra sidan, utnyttjar elektronernas spinn för att generera och kontrollera spinnströmmar samt för att konvertera elektriska och magnetiska signaler. Genom att kombinera bearbetning, lagring, sensorer och logik inom en enda integrerad plattform kan spinntronik komplettera och i vissa fall överträffa halvledarelektronik, vilket bland annat resulterar i en lägre energiförbrukning och snabbare databehandling.

Projektet finansierades av: EU:s Graphene Flagship, Vetenskapsrådet, 2DTECH Vinnova Competence center, Wallenberg Initiative Material Science for Sustainability (WISE) och EU:s FLAG-ERA-projekt.

Saroj Prasad Dash
  • Biträdande professor, Kvantkomponentfysik, Mikroteknologi och nanovetenskap
Bing Zhao
  • Forskningsspecialist, Kvantkomponentfysik, Mikroteknologi och nanovetenskap

Skribent

Lovisa Håkansson