在全球范围内，在人工智能的推动下，计算正以前所未有的速度蓬勃发展。因此，世界计算基础设施的惊人能源需求已成为一个主要问题，而开发更节能的计算设备是科学界面临的主要挑战。
使用磁性材料来制造存储器和处理器等计算设备已经成为制造“超cmos”计算机的一个有前途的途径，与传统计算机相比，这种计算机消耗的能量要少得多。磁铁的磁化开关可以用于计算，就像晶体管从开或关切换到表示二进制代码的0和1一样。
虽然沿着这个方向的大部分研究都集中在使用块状磁性材料上，但一种新的磁性材料——二维范德华磁体——提供了优越的性能，可以提高磁性设备的可扩展性和能源效率，使其具有商业可行性。
虽然转向二维磁性材料的好处是显而易见的，但它们在计算机中的实际应用受到一些基本挑战的阻碍。直到最近，二维磁性材料只能在非常低的温度下工作，就像超导体一样。因此，将它们的工作温度提高到室温以上仍然是一个主要目标。此外，对于计算机的使用，重要的是它们可以被电控制，而不需要磁场。
在没有任何磁场的情况下，二维磁性材料可以在室温以上电切换，弥合这一基本差距，可能会将二维磁铁的转化转化为下一代“绿色”计算机。
麻省理工学院的一组研究人员现在已经通过设计一种“范德华原子分层异质结构”装置实现了这一关键的里程碑，其中二维范德华磁铁，碲化铁镓，与另一种二维材料，二碲化钨相连接。在一篇发表在《科学进展》(Science Advances)上的开放获取论文中，该团队表明，只需在两层设备上施加电流脉冲，磁铁就可以在0和1状态之间切换。
“我们的设备无需外部磁场就能实现强大的磁化开关，为大数据和人工智能的超低功耗和环境可持续计算技术开辟了前所未有的机会，”首席作者、麻省理工学院媒体实验室和神经生物工程中心AT&T职业发展助理教授、纳米控制论生物之旅研究小组负责人德布丽娜·萨卡尔说。“此外，我们设备的原子分层结构提供了独特的功能，包括改进的接口和栅极电压可调性的可能性，以及灵活透明的自旋电子技术。”
论文的第一作者是Shivam Kajale，他是Sarkar在媒体实验室研究小组的研究生;Thanh Nguyen，核科学与工程系(NSE)的研究生;MIT NSE访问学者、日本东北大学(Tohoku University)助理教授Nguyen Tuan Hung;李明达副教授。
打破镜像对称
当电流流过铂或钽等重金属时，电子会根据自旋成分在材料中分离，这种现象被称为自旋霍尔效应，Kajale说。这种分离发生的方式取决于材料，尤其是它的对称性。
“将重金属中的电流转换为自旋电流是电控制磁铁的核心，”卡贾勒指出。“传统使用材料的微观结构，如铂，具有一种镜像对称性，这限制了自旋电流仅在平面内自旋极化。”
Kajale解释说，必须打破两个镜像的对称性，才能产生一个“面外”的自旋组件，该组件可以转移到磁层中，以诱导无场开关。“电流可以在铂的一个平面上‘打破’镜面对称，但它的晶体结构可以防止镜面对称在第二个平面上被打破。”
在他们早期的实验中，研究人员使用一个小磁场来破坏第二个镜面。为了摆脱对磁助推的需求，Kajale和Sarkar及其同事转而寻找一种具有无需外界帮助即可打破第二镜面结构的材料。这使他们找到了另一种二维材料——二碲化钨。
研究人员使用的二碲化钨具有正交晶体结构。这种材料本身有一个破碎的镜面。因此，通过沿其低对称性轴(平行于破碎的镜面)施加电流，所产生的自旋电流具有面外自旋分量，可以直接诱导与二碲化钨界面的超薄磁铁中的开关。
“因为它也是一种二维范德华材料，所以当我们将两种材料堆叠在一起时，它也可以确保我们得到原始的界面和材料之间良好的电子自旋流，”Kajale说。
变得更节能
用磁性材料制造的计算机存储器和处理器比传统的硅基设备消耗更少的能量。研究人员指出，与大块磁性材料相比，范德华磁体可以提供更高的能源效率和更好的可扩展性。
用于开关磁铁的电流密度转化为开关过程中耗散的能量。更低的密度意味着更节能的材料。
“这种新设计是范德华磁性材料中电流密度最低的材料之一，”Kajale说。“这种新设计在散装材料所需的开关电流方面降低了一个数量级。这意味着能源效率提高了两个数量级。”
研究小组现在正在研究类似的低对称范德华材料，看看它们是否能进一步降低电流密度。他们还希望与其他研究人员合作，找到在商业规模上制造2D磁性开关设备的方法。
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