Urządzenia elektroniczne przechowujące informacje za pomocą magnetyzacji polegają na komutacji magnetycznej, co umożliwiają zazwyczaj zlokalizowane pola magnetyczne (generowane za pomocą indukcji elektromagnetycznej) lub prądy elektryczne o spolaryzowanym spinie (moment obrotowy transferu spinu). Niemniej obydwa systemy wymagają prądu elektrycznego o stosunkowo wysokim natężeniu, który ogrzewa materiał, co skutkuje znaczącą utratą energii z powodu rozpraszania ciepła, czyli tak zwanego zjawiska Joule’a.
Efektywność energetyczna może wzrosnąć, jeżeli niezbędne pola magnetyczne i prąd elektryczny zostaną osłabione. Można to osiągnąć poprzez obniżenie koercji magnetycznej (zdolności do stawienia oporu zewnętrznemu polu magnetycznemu bez rozmagnesowania) pobudzonego materiału. Istotny sukces w ramach najnowszych postępów w tej dziedzinie został odniesiony jedynie poniżej 300 kelwinów i tylko z ultracienkimi warstwami lub nanocząstkami. Tymczasem partnerzy finansowanego ze środków UE projektu SPIN-PORICS ogłosili niedawno, że stworzyli z powodzeniem nowy materiał o właściwościach gąbki, obiecując podjęcie dalszych prac.
Nowy prototyp nanokompozytowy
Zespół projektu SPIN-PORICS (Merging Nanoporous Materials with Energy-Efficient Spintronics) informuje w czasopiśmie
Advanced Funcina Materials, że opracował pierwsze prototypy nanoporowatych pamięci magnetycznych, opartych na stopach miedzi i niklu (CuNi). Wnętrze tych warstw CuNi ma strukturę gąbki, a odstępy między porami wynoszą zaledwie 5 albo 10 nanometrów, ograniczając przestrzeń w ścianach porów do kilkudziesięciu atomów. Ta nanoporowata warstwa została wypełniona materiałem dielektrycznym, którego właściwości magnetyczne dostrojono do temperatury pokojowej za pomocą ciekłych elektrolitów w celu doprowadzenia napięcia.
Zespół projektu informuje, że jest w stanie zredukować koercję magnetyczną o 35%, osiągając zużycie energii wymagane do przekierowania domen magnetycznych, co jest niezbędne do zapisywania danych. Osiągnięcie tego wyniku umożliwia nanoporowata struktura, dzięki której cała warstwa – nie tylko powierzchnia – ma swój udział w elektromagnetycznym efekcie.
Podsumowując sukces prototypu, koordynator projektu, profesor Jordi Sort, powiedział: „Nanopory we wnętrzu nanoporowatych materiałów zapewniają ogromną powierzchnię. Dzięki tej rozległej powierzchni na bardzo małej przestrzeni możemy doprowadzić napięcie z baterii i znacząco obniżyć energię potrzebną do ukierunkowania domen magnetycznych i zapisu danych. To nowy paradygmat w oszczędzaniu energii komputerów oraz w obliczeniach i obsłudze danych magnetycznych w ogóle”.
Wprowadzanie nowego paradygmatu w spintronice
Rewolucja cyfrowa polega na zwiększaniu pojemności dysku twardego i prędkości przetwarzania danych, a obydwie te cechy skorzystały na postępach w zakresie magnetyzmu i spintroniki (elektroniki transportu spinu – wykorzystującej spin elektronu i magnetyzację). Szerzej, postępy w technologiach informacyjno-komunikacyjnych zależą od przezwyciężenia braku wydajności energetycznej urządzeń magnetoelektronicznych. Szacuje się na przykład, że w przypadku komputerów 40% energii ulega utracie z powodu rozpraszania ciepła. Dlatego przedsiębiorstwa takie, jak Google, decydują się na umieszczanie swoich serwerów pod wodą lub w krajach nordyckich, aby korzystać z niskich temperatur.
Zespół SPIN-PORICS przewiduje, że na nowym materiale nanokompozytowym skorzystają zasadniczo trzy zastosowania technologiczne: zapisywanie magnetyczne wspomagane elektrycznie, komutacja napięciowa pamięci magnetycznych o dostępie swobodnym oraz spinowe tranzystory polowe. Zważywszy na fakt, że niektóre obliczenia sugerują, iż zastąpienie napięcia prądem elektrycznym w systemach przetwarzania danych mogłoby zredukować koszty o współczynnik 1/500, ten nowy paradygmat może mieć istotny wpływ ekonomiczny. Jak zauważa profesor Jordi Sort: „Wprowadzenie tego materiału do pamięci komputerów i urządzeń mobilnych może mieć wiele zalet, głównie pod względem bezpośredniej energooszczędności komputerów i znaczącego wzrostu autonomii urządzeń mobilnych”.
Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS
poleca:
