کریستالی به باریکی اتم، سوخت تراشه‌های حافظه نسل بعدی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، داده‌های دیجیتال طی چند دهه آینده یکی از بزرگترین سهم‌های انرژی جهان را مصرف خواهند کرد.

اکنون، محققان دانشگاه صنعتی چالمرز سوئد، از یک پیشرفت غیرمنتظره برای حل این مشکل رونمایی کرده‌اند.

این تیم ماده‌ای به نازکی اتم ساخته است که امکان همزیستی دو نیروی مغناطیسی متضاد را فراهم می‌کند و مصرف انرژی در دستگاه‌های حافظه را تا ده برابر کاهش می‌دهد.

واحد‌های حافظه تقریباً در تمام فناوری‌های مدرن، از جمله سیستم‌های هوش مصنوعی، تلفن‌های هوشمند، رایانه‌ها، وسایل نقلیه خودران، لوازم خانگی و دستگاه‌های پزشکی، ضروری هستند.

مغناطیس به عنوان یک بازیگر کلیدی در حافظه دیجیتال ظهور کرده است، جایی که کنترل رفتار الکترون تحت میدان‌های مغناطیسی و جریان‌های الکتریکی، تراشه‌ها را قادر می‌سازد سریع‌تر، کوچک‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر باشند.

اما افزایش داده‌های جهانی، فناوری حافظه‌های مرسوم را به مرز‌های خود رسانده است. پیش‌بینی می‌شود که در طول چند دهه، حافظه‌های دیجیتال تقریباً ۳۰ درصد از مصرف انرژی جهانی را به خود اختصاص دهند.

این امر جست‌و‌جو برای رویکرد‌های جدید به حافظه با مصرف انرژی کارآمد را تشدید کرده و در عین حال امکانات تکنولوژیکی جدیدی را آشکار ساخته است.

محققان دانشگاه چالمرز اکنون اولین کسانی هستند که نشان می‌دهند چگونه یک ماده دوبعدی لایه‌ای، دو نیروی مغناطیسی مجزا را با هم ترکیب می‌کند و مصرف انرژی در دستگاه‌های حافظه را ده برابر کاهش می‌دهد.

جاذبه مغناطیسی با نوآوری ترکیب می‌شود

دکتر بینگ ژائو، نویسنده اصلی و محقق فیزیک دستگاه‌های کوانتومی در چالمرز، می‌گوید: «یافتن این همزیستی نظم‌های مغناطیسی در یک ماده واحد و نازک، یک پیشرفت بزرگ است. خواص آن، آن را به طور فوق‌العاده‌ای برای توسعه تراشه‌های حافظه فوق‌العاده کارآمد برای هوش مصنوعی، دستگاه‌های تلفن همراه، رایانه‌ها و فناوری‌های داده آینده مناسب می‌کند.

در فیزیک، دو حالت مغناطیسی کلیدی وجود دارد: فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس.

فرومغناطیس - نیروی آشنا در آهنربا‌های روزمره - الکترون‌ها را به طور یکنواخت همسو می‌کند و یک میدان مغناطیسی قابل مشاهده ایجاد می‌کند. پادفرومغناطیس شامل الکترون‌هایی با اسپین‌های مخالف است که یکدیگر را خنثی می‌کنند.

ترکیب این دو نیرو مزایای قابل توجهی برای حافظه و حسگر‌ها ارائه می‌دهد، اما تاکنون، این امر مستلزم روی هم چیدن مواد مختلف در ساختار‌های چندلایه بود.

پروفسور ساروج پی. دش، رهبر پروژه و متخصص فیزیک دستگاه‌های کوانتومی در دانشگاه چالمرز، می‌گوید: «برخلاف این سیستم‌های پیچیده و چندلایه، ما موفق شده‌ایم هر دو نیروی مغناطیسی را در یک ساختار کریستالی واحد و دوبعدی ادغام کنیم. این مانند یک سیستم مغناطیسی کاملاً از پیش مونتاژ شده است - چیزی که نمی‌توان آن را با استفاده از مواد معمولی تکرار کرد. محققان از زمانی که مغناطیس برای اولین بار در فناوری حافظه به کار گرفته شد، این مفهوم را دنبال می‌کردند.

مغناطیس کج‌شده انرژی را کاهش می‌دهد

دستگاه‌های حافظه با تغییر جهت الکترون‌ها، اطلاعات را ذخیره می‌کنند. مواد مرسوم برای دستیابی به این هدف به یک میدان مغناطیسی خارجی نیاز دارند.

با این حال، ماده چالمرز ترکیبی درونی از نیرو‌های متضاد دارد که باعث ایجاد یک شیب داخلی در تراز مغناطیسی می‌شود.

دکتر ژائو توضیح می‌دهد: «این شیب به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به هیچ میدان مغناطیسی خارجی، به سرعت و به راحتی جهت خود را تغییر دهند. با حذف نیاز به میدان‌های مغناطیسی خارجی پرمصرف، مصرف برق می‌تواند تا ده برابر کاهش یابد.

لایه‌های این بلور‌های دوبعدی به جای پیوند‌های شیمیایی، با استفاده از نیرو‌های واندروالسی روی هم قرار گرفته‌اند که باعث افزایش پایداری می‌شود. آلیاژ مغناطیسی این ماده که از کبالت، آهن، ژرمانیوم و تلوریم تشکیل شده است، از فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس در یک ساختار واحد پشتیبانی می‌کند.

پروفسور دش می‌گوید: «ماده‌ای با رفتار‌های مغناطیسی چندگانه، مشکلات مربوط به سطح مشترک در پشته‌های چندلایه را از بین می‌برد و تولید آن بسیار آسان‌تر است. پیش از این، روی هم قرار دادن چندین لایه مغناطیسی، درز‌های مشکل‌سازی را در سطوح مشترک ایجاد می‌کرد که قابلیت اطمینان و تولید پیچیده دستگاه را به خطر می‌انداخت.

این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.