Kvantmaterial kan göra databehandling betydligt mer energisnål

Datacenter, molntjänster, AI och uppkopplade system står för en snabbt växande del av världens energiförbrukning. I jakten på nya och energisnåla teknologiska lösningar har spinn-elektronik, spinntronik, visat sig vara ett nytt och lovande angreppssätt. I stället för att enbart förlita sig på rörelsen av elektrisk laddning utnyttjar spinntroniken magnetiska tillstånd för att bära information. Mer specifikt är det en kvantegenskap hos elektroner som man drar nytta av, spinn, och som gör att elektronerna beter sig som små magneter. 

– Precis som en kompassnål gör elektronens spinn att den kan peka i en av två riktningar – upp eller ned. Dessa två riktningar kan användas för att representera digital information, på samma sätt som dagens elektronik använder 0:or och 1:or, förklarar Saroj Dash, professor i kvantkomponentfysik vid Chalmers. 

Eftersom teknologin baseras på magnetism, som är ett stabilt tillstånd, och inte drivs av kontinuerliga laddningsströmmar kan spinntroniken bana väg för snabbare och mer energisnål elektronik med mindre värmeförluster. 

Oöverträffad kontroll på elektroners spinn

Än så länge återstår dock en rad utmaningar innan spinntroniken kan komma samhället till gagn på bred front. En knäckfråga i sammanhanget handlar om att få tillräckligt stor kontroll över elektronernas spinn, det vill säga deras magnetiska riktning. Hittills krävs starka elektriska strömmar eller externa magnetfält för att kunna styra spinnens riktning med tillräckligt hög precision – vilket i sin tur motverkar den tänkta energibesparingen. Dels har det varit svårt att framkalla dessa magnetiska tillstånd i befintliga material, dels är vår förståelse av kvantfysiska spinnfenomen än så länge begränsad. 

Nu har forskare vid Chalmers tagit ett viktigt steg på vägen. Genom att stapla två kvantmaterial på varandra har de lyckats hitta ett sätt att styra elektronernas spinn med oöverträffad kontroll – utan att behöva använda sig av varken yttre magnetiska fält eller starka elektriska strömmar. 

– Kombinationen av de här två kvantmaterialen gör det möjligt för oss att kontrollera elektronernas spinn enbart med hjälp av mycket små elektriska strömmar. Det funkar även i rumstemperatur vilket innebär att metoden på sikt kan göra databehandling och minnesteknologier både snabbare och mer energisnål, säger Saroj Dash, som har lett studien som publicerats i Nature Communications. 

Bruten symmetri del av lösningen 

Det här sättet att noggrant stapla atomtunna lager av olika kvantmaterial på varandra kallas inom fysiken för van der Waals-heterostrukturer. I Chalmersforskarnas lösning kombineras ett material med magnetism vars riktning går vinkelrätt mot ytan med ett annat material vars elektroner besitter ovanliga egenskaper. Tillsammans ger de upphov till en helt ny, outforskad dynamik på magnetismen. Med hjälp av svaga elektriska strömmar kan forskarna då styra magnetismens riktning så att elektronernas spinn växlar i önskade riktningar. Effekten kan delvis förklaras av den asymmetri som präglar strukturen i ett av de kvantmaterial som används.

– Perfekt symmetri kan faktiskt begränsa vad ett material kan göra. Genom att medvetet bryta den här symmetrin kunde vi låsa upp nya spinneffekter som helt enkelt inte är möjliga i perfekt symmetriska system och som gav oss en helt annan kontroll över elektronernas riktning, förklarar Lalit Pandey, forskare i kvantkomponentfysik och försteförfattare till studien. 

Perfekt bro gav stark koppling med hög kontroll

En viktig del av genombrottet är kontaktytan mellan de två materialen som är helt slät och därför ger upphov till en perfekt koppling helt utan “skav” eller defekter. Det gör att spinninformation kan överföras mellan materialen utan att försvagas eller störas.

– Man kan se det som en helt ren bro mellan två material, säger Saroj Dash. Den här atomtunna och helt plana gränsytan gör att spinnsignalen kan hållas helt intakt när den överförs mellan materialen, förklarar Saroj Dash. 

– Det som gör detta extra spännande är att kopplingen både är stark och styrbar, förklara Lalit Pandey. 

Öppnar för spinntronik i praktiken 

Chalmersforskarnas resultat banar väg för en ny och lovande plattform för utvecklingen av spinnbaserad elektronik som är energieffektiv, justerbar och inte kräver externa magnetfält. Eftersom effekten fungerar vid rumstemperatur och kan uppnås i relativt enkla komponenter ökar möjligheterna att tekniken på sikt ska kunna integreras i framtida elektronik.

– Det här ger oss en ny designprincip – i stället för att bara leta efter nya material kan vi bygga in helt nya egenskaper genom hur vi kombinerar dem och bryter symmetrier. Detta är ett tydligt steg mot nästa generations spinntronik, där vi kan styra spinn betydligt mer effektivt än tidigare genom smart design av kvantmaterial, säger Saroj Dash. 

Mer information om studien:

Den vetenskapliga artikeln Tunable unconventional spin orbit torque magnetization dynamics in van der Waals heterostructures har publicerats i Nature Communications.

Tillverkningen av komponenterna genomfördes vid nanofabrikeringslaboratoriet MyFab vid Chalmers tekniska högskola.

Finansiering:

Forskningsprojektet har finansierats av Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE), finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, European Commission (EU) Graphene Flagship, European Innovation Council (EIC) projekt 2DSPIN-TECH, VINNOVA:s kompetenscentrum 2D TECH, Vetenskapsrådet (VR), FLAG-ERA-projekten 2DSOTECH och MagicTune, Carl Tryggers stiftelse, Graphene Centre, Chalmers–Max IV-samarbetets projektbidrag, VR:s Sverige–Indien-samarbetsbidrag samt styrkeområdena (Areas of Advance, AoA) Nano, Materials Science och Energy vid Chalmers tekniska högskola.