Materialgenombrott banar väg för mycket stora energibesparingar i minneschip

Minneskomponenter är oumbärliga i all slags modern teknologi som behandlar och lagrar information – AI, smarta mobiler, datorer, självkörande bilar, hushållsapparater och medicinsk utrustning. Mängden data som lagras, behandlas och överförs ökar explosionsartat och beräknas redan inom ett par årtionden stå för en betydande del av världens totala energiförbrukning. Därför letar forskare med ljus och lykta efter nya sätt att bygga betydligt energisnålare minnesteknologi, och som en del av utvecklingen har magnetism kommit att spela en stor roll –  särskilt för de viktiga minneschips där information lagras. Genom att på olika sätt dra nytta av hur elektronerna i magnetiska material reagerar på yttre fält och elektriska strömmar kan minneschips göras snabbare, mindre och mer energieffektiva.

Nu är ett forskarlag vid Chalmers först i världen med att presentera ett helt nytt, atomtunt material som genom att kombinera två olika magnetiska krafter kan minska energiförbrukningen hos minnesenheter, alltså de komponenter som utgör den datalagrande förmågan på minneschipsen, med 90 procent.

– Att hitta den här samexistensen i ett enda, tunt material är en banbrytande upptäckt. Det innebär att man med fördel kan använda materialet i utvecklingen av ultraeffektiva minneschips för AI-teknologi, mobiler, datorer och framtidens databehandling, säger Bing Zhao, forskare i kvantkomponentfysik på Chalmers och försteförfattare till en studie publicerad i Advanced Materials.

En magnetisk vänskap

Inom fysiken och ingenjörskonsten talas ofta om två grundläggande magnetiska tillstånd: ferromagnetism och antiferromagnetism. Ferromagnetism är det vi ser i vanliga magneter och som attraherar exempelvis järn, nickel eller kobolt. Här radar elektronerna upp sig som soldater vilket skapar ett gemensamt magnetfält som drar åt samma håll och gör materialet magnetiskt på utsidan. I antiferromagnetism går elektronernas riktning, deras ”spinn”, åt motsatt håll, vilket innebär att atomernas magnetiska laddning tar ut varandra. Kombinationen av dessa två olika magnetiska tillstånd erbjuder stora vetenskapliga och tekniska fördelar – men har från 90-talet fram till idag endast kunnat uppnås genom att stapla olika slags ferromagnetiska och antiferromagnetiska material på varandra.

– I stället för att använda den här typen av komplexa lagerstrukturer, har vi nu lyckats kombinera de båda magnetiska krafterna i en enda tvådimensionell kristallstruktur. Man kan se det som ett perfekt, förmonterat magnetiskt system som inte hade gått att återskapa med andra konventionella material. Det här är något forskare har sökt efter ända sedan magnetism började nyttjas i minnesteknologi, säger Saroj P. Dash, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers och forskningsledare i projektet.

Lutad magnetism kan minska energiförbrukningen tiofalt

När minnesenheter lagrar information behöver riktningen på elektronerna i enhetens material växla åt olika håll. I konventionella material uppnås det idag med hjälp av externa magnetfält som växelvis drar elektronerna i olika riktningar. Den kombination av motsatta magnetiska krafter som finns inbyggd i Chalmersforskarnas nya material ger den sammantagna magnetiska riktningen en lutning. 

– Den här lutningen gör det möjligt för elektronerna att snabbt och enkelt kunna ändra riktning utan externa magnetfält. När man kan ta bort dessa energikrävande magnetfält kan energiförbrukningen minska med 90 procent, säger Bing Zhao.

Mer tillförlitlig och enklare att tillverka

Materialet i den tvådimensionella kristallstrukturen är en legering bestående av magnetiska och icke-magnetiska grundämnen (kobolt, järn, germanium och tellurium) som tillsammans gör det möjligt för både ferromagnetism och antiferromagnetism att existera i ett och samma material. I Chalmersforskarnas minnesenheter läggs lager av den tvådimensionella strukturen på varandra. Till skillnad från konventionella material som hålls samman av starka kemiska bindningar, hålls dessa atomtunna lager samman av svagare så kallade van der Waals-krafter.

– När ett enda material innehåller olika magnetiska beteenden blir det oproblematiskt att stapla det i flera lager, och därmed lättare att tillverka. Tidigare har det varit nödvändigt att använda lager av olika sorters magnetiska filmer vilket skapar en slags besvärlig ”söm” i gränsytorna, som i sin tur innebär att minnesenheterna blir mindre tillförlitliga och svårare att tillverka, säger Saroj P. Dash.

Mer om studien och forskningen:

Den vetenskapliga artikeln Coexisting Non-Trivial Van der Waals Magnetic Orders Enable Field-Free Spin-Orbit Torque Magnetization Dynamics har publicerats i tidskriften Advanced Materials. Artikelns författare är Bing Zhao, Lakhan Bainsla, Soheil Ershadrad, Lunjie Zeng, Roselle Ngaloy, Peter Svedlindh, Eva Olsson, Biplab Sanyal och Saroj P. Dash. Forskarna är verksamma vid Chalmers och Uppsala universitet.

Minnesenheterna tillverkades i Chalmers renrum, Chalmers Myfab, och materialet togs fram av HqGraphene. De strukturella karakteriseringarna utfördes vid Chalmers Materialanalyslaboratorium (CMAL) i samarbete med professor Eva Olssons forskargrupp och magnetiseringsmätningar utfördes av Peter Svedlindhs forskargrupp. Teoretiska beräkningar utfördes av Biplab Sanyals forskargrupp vid Uppsala universitet, och elektroniska samt magnetiska karakteriseringar utfördes vid laboratoriet för kvantfysikaliska komponenter vid Chalmers.

Forskningsprojektet har finansierats av European Innovation Council projekt 2DSPIN-TECH, 2D TECH VINNOVA kompetenscenter, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE) grundat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, EU:s Grafenflaggskepp, Vetenskapsrådet, FLAG-ERA projekt 2DSOTECH och MagicTune, Graphene Center, Chalmers-Max IV samarbetsanslag, Styrkeområde Nano, Styrkeområde Materialvetenskap och Styrkeområde Energi på Chalmers.