Transistor Magneto-Electric mới sáng tạo có thể cắt giảm 5% từ ngân sách năng lượng kỹ thuật số của thế giới

Thiết kế cũng sẵn sàng để tiết kiệm không gian, giữ lại bộ nhớ trong trường hợp mất điện.

Một vòng quay mới về một trong những phát minh nhỏ nhất nhưng vĩ đại nhất của thế kỷ 20, bóng bán dẫn, có thể giúp thúc đẩy nhu cầu ngày càng tăng của thế giới đối với bộ nhớ kỹ thuật số trong khi cắt giảm tới 5% năng lượng từ chế độ ăn uống thiếu năng lượng của nó.

Sau nhiều năm đổi mới từ Christian Binek của Đại học Nebraska – Lincoln và Jonathan Bird và Keke He của Đại học Buffalo , các nhà vật lý gần đây đã hợp tác để chế tạo bóng bán dẫn điện từ đầu tiên.

Cùng với việc hạn chế mức tiêu thụ năng lượng của bất kỳ vi điện tử nào kết hợp nó, thiết kế của nhóm nghiên cứu có thể giảm số lượng bóng bán dẫn cần thiết để lưu trữ một số dữ liệu nhất định tới 75%, nhà vật lý Peter Dowben của Nebraska cho biết, dẫn đến các thiết bị nhỏ hơn. Nó cũng có thể cho mượn bộ nhớ bẫy thép vi điện tử ghi nhớ chính xác nơi người dùng dừng lại, ngay cả sau khi tắt máy hoặc mất điện đột ngột.

Dowben, đồng tác giả của một bài báo gần đây về công trình xuất sắc trên trang bìa của tạp chí Advanced Materials , cho biết: “Ý nghĩa của cuộc chứng minh gần đây nhất này là rất sâu sắc .

Nhiều triệu bóng bán dẫn nằm trên bề mặt của mọi mạch tích hợp hiện đại hay còn gọi là vi mạch, bản thân nó được sản xuất với số lượng đáng kinh ngạc – khoảng 1 nghìn tỷ chỉ riêng vào năm 2020 – từ vật liệu bán dẫn được yêu thích trong ngành, silicon. Bằng cách điều chỉnh dòng điện trong một vi mạch, bóng bán dẫn nhỏ bé hoạt động hiệu quả như một công tắc bật-tắt kích thước nano, thiết bị cần thiết để ghi, đọc và lưu trữ dữ liệu như các bước 1 và 0 của công nghệ kỹ thuật số.

Nhưng các vi mạch dựa trên silicon đã gần đạt đến giới hạn thực tế của chúng, Dowben nói. Những giới hạn đó buộc ngành công nghiệp bán dẫn phải điều tra và tài trợ cho mọi sự thay thế đầy hứa hẹn mà nó có thể.

Dowben, Giáo sư vật lý và thiên văn học Charles Bessey tại Nebraska cho biết: “Mạch tích hợp truyền thống đang gặp phải một số vấn đề nghiêm trọng. “Có một giới hạn cho việc nó có thể nhỏ hơn bao nhiêu. Về cơ bản, chúng ta đang nói đến phạm vi rộng khoảng 25 nguyên tử silicon hoặc ít hơn. Và bạn tạo ra nhiệt với mọi thiết bị trên (mạch tích hợp), vì vậy bạn cũng không thể mang đi đủ nhiệt để làm cho mọi thứ hoạt động ”.

Tình trạng khó khăn đó xuất hiện ngay cả khi nhu cầu về bộ nhớ kỹ thuật số và năng lượng cần thiết để đáp ứng nó, đã tăng vọt trong bối cảnh máy tính, máy chủ và internet được sử dụng rộng rãi. Việc thông minh hóa TV, xe cộ và các công nghệ khác có hỗ trợ vi mạch chỉ làm tăng nhu cầu đó.

Dowben nói: “Chúng ta đang đi đến điểm mà chúng ta sẽ tiếp cận mức tiêu thụ năng lượng trước đây của Hoa Kỳ chỉ dành cho trí nhớ (một mình). “Và nó không dừng lại.

“Vì vậy, bạn cần một cái gì đó mà bạn có thể thu nhỏ lại, nếu có thể. Nhưng trên hết, bạn cần thứ gì đó hoạt động khác với bóng bán dẫn silicon, để bạn có thể giảm mức tiêu thụ điện năng rất nhiều ”.

‘Bây giờ nó hoạt động, niềm vui bắt đầu’

Các bóng bán dẫn dựa trên silicon điển hình bao gồm nhiều thiết bị đầu cuối. Hai trong số chúng, được gọi là nguồn và cống, đóng vai trò là điểm bắt đầu và điểm kết thúc cho các electron chạy qua một mạch. Phía trên kênh đó có một thiết bị đầu cuối khác, cổng. Việc áp dụng điện áp giữa cổng và nguồn có thể quyết định xem dòng điện chạy với điện trở thấp hay cao, dẫn đến sự tích tụ hoặc vắng mặt của các điện tích electron được mã hóa tương ứng là 1 hoặc 0. Nhưng bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên – hình thức mà hầu hết các ứng dụng máy tính dựa vào – yêu cầu nguồn điện liên tục chỉ để duy trì các trạng thái nhị phân đó.

Vì vậy, thay vì phụ thuộc vào điện tích làm cơ sở của phương pháp tiếp cận, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang quay: một đặc tính liên quan đến từ tính của các electron hướng lên hoặc hướng xuống và có thể đọc được, giống như điện tích có thể, là 1 hoặc 0. Nhóm nghiên cứu biết rằng các electron chạy qua graphene , một vật liệu siêu bền chỉ dày một nguyên tử , có thể duy trì định hướng spin ban đầu của chúng trong khoảng cách tương đối dài – một đặc tính hấp dẫn để chứng minh tiềm năng của một bóng bán dẫn dựa trên spintronic. Trên thực tế, việc kiểm soát hướng của các vòng quay đó, sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể so với bóng bán dẫn thông thường, là một viễn cảnh thách thức hơn nhiều.

Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu cần phải phủ graphene bằng vật liệu phù hợp. May mắn thay, Binek đã dành nhiều năm để nghiên cứu và sửa đổi một loại vật liệu như vậy, oxit crom. Điều quan trọng, crom oxit có tính điện từ, có nghĩa là spin của các nguyên tử trên bề mặt của nó có thể bị lật từ trên xuống hoặc ngược lại, bằng cách đặt một lượng nhỏ điện áp tạm thời, năng lượng.

Khi đặt điện áp dương, spin của oxit crom bên dưới hướng lên, cuối cùng buộc hướng spin của dòng điện của graphene lệch sang trái và mang lại tín hiệu có thể phát hiện được trong quá trình này. Thay vào đó, điện áp âm làm lật các spin của oxit crom xuống, với hướng spin của dòng điện của graphene chuyển sang phải và tạo ra một tín hiệu có thể phân biệt rõ ràng với tín hiệu khác.

“Bây giờ bạn đang bắt đầu có được độ trung thực thực sự tốt (trong tín hiệu), bởi vì nếu bạn đang ngồi ở một bên của thiết bị và bạn đã đặt một điện áp, thì dòng điện sẽ đi theo hướng này. Bạn có thể nói đó là ‘trên’, Dowben nói. “Nhưng nếu nó bảo dòng điện đi theo hướng khác, điều đó rõ ràng là ‘tắt.’

“Điều này có khả năng mang lại cho bạn độ trung thực rất lớn với chi phí năng lượng rất thấp. Tất cả những gì bạn làm là áp dụng điện áp, và nó bị lật. “

Dowben cho biết có rất nhiều lựa chọn thay thế cho graphene có cùng độ dày một nguyên tử nhưng cũng tự hào về các đặc tính phù hợp hơn với transistor điện từ. Ông nói, cuộc đua để phủ crôm oxit với các ứng cử viên 2D khác đã bắt đầu và đánh dấu “không phải là một cái gì đó, mà là sự khởi đầu của một cái gì đó.”

“Bây giờ nó hoạt động, niềm vui bắt đầu, bởi vì mọi người sẽ có tài liệu 2D yêu thích của riêng họ và họ sẽ thử nó,” Dowben nói. “Một số trong số chúng sẽ hoạt động tốt hơn rất nhiều, và một số thì không. Nhưng bây giờ bạn đã biết nó hoạt động, bạn nên đầu tư vào những vật liệu phức tạp hơn có thể.

“Giờ đây, tất cả mọi người đều có thể tham gia trò chơi, tìm ra cách làm cho bóng bán dẫn thực sự tốt và có tính cạnh tranh và thực sự là vượt quá silicon.”

Đến thời điểm đó là một hành trình dài được mở ra với “một số tiến bộ khổng lồ”, Dowben nói, đặc biệt là từ bộ đôi Binek và Bird.

Bird nói: “Loại dự án này chứng tỏ nghiên cứu hợp tác có tác động và hiệu quả như thế nào,” kết hợp chuyên môn nổi tiếng về vật liệu từ tính tại Nebraska với khả năng của Buffalo trong các thiết bị bán dẫn kích thước nano ”.

Dowben chỉ kể lại một số tiến bộ thiết yếu của nhóm. Người ta nhận ra rằng vật liệu điện từ có thể chứng minh một cách tiếp cận khả thi. Nhận biết crom oxit. Việc sửa đổi nó, vừa để điều khiển spin của nó bằng điện áp thay vì từ tính tiêu hao năng lượng, nhưng cũng để đảm bảo nó sẽ hoạt động tốt hơn nhiệt độ phòng – bởi vì, như Dowben đã nói, “Nếu bạn sẽ cạnh tranh với ngành công nghiệp bán dẫn , nó không thể chỉ hoạt động ở Nebraska vào mùa đông. Nó phải hoạt động ở Ả-rập Xê-út vào mùa hè ”. Sau đó là các mô phỏng máy tính dựa trên lý thuyết và nhiều nguyên mẫu giai đoạn đầu.

“Không có khoảnh khắc Edisonian ở đây. Bạn có thể biết mình đang đi đâu, nhưng phải mất một khoảng thời gian, ”Dowben nói. “Có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết. Đó là một khẩu hiệu, và nó trông không đẹp.

“Nhưng đôi khi kết quả hoàn toàn ngoạn mục,” anh nói, “và điều đó thật vui.”

Tham khảo: “Graphene trên Chromia: A System for Beyond-Nhiệt độ Spintronics” của Keke He, Bilal Barut, Shenchu Yin, Michael D. Randle, Ripudaman Dixit, Nargess Arabchigavkani, Jubin Nathawat, Ather Mahmood, Will Echtenkamp, Christian Binek, Peter A. Dowben và Jonathan P. Bird, ngày 5 tháng 1 năm 2022, Vật liệu nâng cao .
DOI: 10.1002 / adma.202105023

Nhóm nghiên cứu đã nhận được sự hỗ trợ từ Chương trình được thành lập của Quỹ Khoa học Quốc gia để Kích thích Nghiên cứu Cạnh tranh, chương trình đã tài trợ cho sự hợp tác Công nghệ và Vật liệu Lượng tử Nổi lên trị giá 20 triệu đô la tại Nebraska và từ Tập đoàn Nghiên cứu Chất bán dẫn.

Theo Scitechdaily