Материаловеды Северо-Западного университета разработали новые принципы проектирования, которые могут помочь стимулировать разработку будущих квантовых материалов, используемых для развития (IoT) устройств и других ресурсоемких технологий, при одновременном ограничении экологического ущерба.
«Новые революционные материалы и компьютерные парадигмы необходимы, чтобы сделать центры обработки данных более энергоэффективными в будущем», – сказал Джеймс Рондинелли, профессор материаловедения и инженерии и Morris E. Прекрасный профессор материалов и производства Инженерной школы Маккормика, который руководил исследованием.
Исследование знаменует собой важный шаг в усилиях Рондинелли по созданию новых материалов, которые являются энергонезависимыми, энергоэффективными и выделяют меньше тепла – важные аспекты будущей сверхбыстрой маломощной электроники и квантовых компьютеров, которые могут помочь удовлетворить растущий мировой спрос на данные.
Вместо определенных классов полупроводников, использующих заряд электрона в транзисторах для питания вычислений, твердотельные материалы на основе спина используют спин электрона и имеют потенциал для поддержки устройств памяти с низким энергопотреблением. В частности, материалы с высококачественной устойчивой спиновой текстурой (PST) могут демонстрировать долгоживущую устойчивую спиновую спираль (PSH), которую можно использовать для отслеживания или управления спиновой информацией в транзисторе.
Хотя многие спиновые материалы уже кодируют информацию с помощью спинов, эта информация может быть искажена, поскольку спины распространяются в активной части транзистора.
Новый PST, созданный исследователями, защищает информацию о вращении в форме спирали, что делает его потенциальной платформой для работы устройств логики и памяти на основе сверхнизкой энергии и сверхбыстрой скорости вращения.
Исследовательская группа использовала квантово-механические модели и вычислительные методы для разработки основы для идентификации и оценки спиновых текстур в группе нецентросимметричных кристаллических материалов.
Возможность контролировать и оптимизировать время жизни спина и транспортные свойства в этих материалах жизненно важна для реализации будущего квантовых микроэлектронных устройств, которые работают с низким энергопотреблением.
«Ограничивающей характеристикой спиновых вычислений является сложность получения как долгоживущих, так и полностью контролируемых спинов из обычных полупроводниковых и магнитных материалов», – сказал Рондинелли. «Наше исследование поможет будущим теоретическим и экспериментальным усилиям, направленным на контроль спинов в немагнитных материалах, которые в остальном не являются магнитными, для удовлетворения будущих масштабных и экономических требований."
В рамках концепции Рондинелли использовались микроскопические эффективные модели и теория групп для определения трех критериев проектирования материалов, которые могли бы создавать полезные спиновые текстуры: плотность носителей, число электронов, распространяющихся через эффективное магнитное поле, анизотропия Рашбы, соотношение между внутренними параметрами спин-орбитальной связи материалы, и импульсное заполнение пространства, область PST, активная в электронной зонной структуре. Затем эти характеристики были оценены с помощью квантово-механического моделирования для обнаружения высокопроизводительных PSH в ряде материалов на основе оксидов.
Исследователи использовали эти принципы и численные решения ряда дифференциальных уравнений спиновой диффузии для оценки спиновой текстуры каждого материала и предсказания времени жизни спина для спирали в пределе сильной спин-орбитальной связи. Они также обнаружили, что могут регулировать и улучшать производительность PST, используя атомарные искажения в пикомасштабе. Группа определила оптимальный материал PST, Sr3Hf2O7, который показал значительно более длительное время жизни вращения спирали, чем в любом ранее описанном материале.
«Наш подход обеспечивает уникальную химически независимую стратегию для обнаружения, идентификации и оценки устойчивых спиновых текстур с защитой от симметрии в квантовых материалах с использованием внутренних и внешних критериев», – сказал Рондинелли. «Мы предложили способ увеличения количества пространственных групп, в которых размещается PST, который может служить резервуаром для разработки будущих материалов PST, и нашли еще одно применение для сегнетоэлектрических оксидов – соединений со спонтанной электрической поляризацией. Наша работа также поможет направить экспериментальные усилия, направленные на реализацию материалов в реальных конструкциях устройств."