Группа исследователей из Мичиганского университета разработала материал, который как минимум вдвое более «магнитострикционный» и гораздо менее дорогостоящий, чем другие материалы в этом классе. Помимо вычислений, это также может привести к созданию более совершенных магнитных датчиков для медицинских и охранных устройств.
Магнитострикция, которая вызывает гудение люминесцентных ламп и электрических трансформаторов, возникает, когда форма материала и магнитное поле связаны, то есть изменение формы вызывает изменение магнитного поля.
Это свойство может быть ключом к новому поколению вычислительных устройств, называемых магнитоэлектриками.
Магнитоэлектрические чипы могут сделать все, от массивных центров обработки данных до сотовых телефонов, гораздо более энергоэффективным, сократив потребности мировой вычислительной инфраструктуры в электроэнергии.
Этот материал, состоящий из комбинации железа и галлия, подробно описан в статье, опубликованной 12 мая в журнале Nature Communication.
Команда, возглавляемая профессором материаловедения и инженерии Университета Мэн Джоном Хероном, включает исследователей из Intel; Cornell University; Калифорнийский университет в Беркли; Университет Висконсина; Университет Пердью и другие места.
Магнитоэлектрические устройства используют магнитные поля вместо электричества для хранения цифровых единиц и нулей двоичных данных. Крошечные импульсы электричества заставляют их слегка расширяться или сжиматься, изменяя их магнитное поле с положительного на отрицательное или наоборот. Поскольку им не требуется постоянный поток электроэнергии, как современные чипы, они потребляют часть энергии.
"Ключом к тому, чтобы заставить магнитоэлектрические устройства работать, является поиск материалов, электрические и магнитные свойства которых взаимосвязаны."Херон сказал. "А большая магнитострикция означает, что чип может выполнять ту же работу с меньшим энергопотреблением."
Более дешевые магнитоэлектрические устройства с десятикратным улучшением
В большинстве современных магнитострикционных материалов используются редкоземельные элементы, которых слишком мало и они дороги, чтобы их можно было использовать в количествах, необходимых для вычислительных устройств. Но команда Херона нашла способ добиться высоких уровней магнитострикции за счет недорогого железа и галлия.
Обычно, объясняет Херон, магнитострикция сплава железо-галлий увеличивается по мере добавления большего количества галлия. Но это увеличение выравнивается и в конечном итоге начинает падать, поскольку большее количество галлия начинает формировать упорядоченную атомную структуру.
Поэтому исследовательская группа использовала процесс, называемый низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксией, чтобы практически заморозить атомы на месте, не давая им образовать упорядоченную структуру по мере добавления галлия. Таким образом, Херон и его команда смогли удвоить количество галлия в материале, добившись десятикратного увеличения магнитострикции по сравнению с немодифицированными сплавами железа и галлия.
«Низкотемпературная молекулярно-лучевая эпитаксия – чрезвычайно полезный метод – это немного похоже на окраску распылением отдельными атомами», – сказал Херон. «Нанесение распылением» материала на поверхность, которая слегка деформируется при приложении напряжения, также упростило испытание его магнитострикционных свойств."
Исследователи работают с программой Intel MESO
Магнитоэлектрические устройства, изготовленные в исследовании, имеют размер в несколько микрон – большие по компьютерным стандартам. Но исследователи работают с Intel, чтобы найти способы уменьшить их до более удобного размера, который будет совместим с программой компании по магнитоэлектрическим спин-орбитальным устройствам (или MESO), одной из целей которой является продвижение магнитоэлектрических устройств в массовое производство.
«Intel отлично умеет масштабировать вещи и делает все возможное, чтобы технология действительно работала в сверхмалых масштабах компьютерного чипа», – сказал Херон. «Они очень вкладываются в этот проект, и мы регулярно встречаемся с ними, чтобы получить отзывы и идеи о том, как расширить эту технологию, чтобы сделать ее полезной в компьютерных микросхемах, которые они называют MESO."
В то время как устройство, использующее этот материал, вероятно, появится через несколько десятилетий, лаборатория Херона подала заявку на патентную защиту через UM Office of Technology Transfer.
Статья называется «Разработка новых ограничений магнитострикции за счет метастабильности в сплавах железо-галлий."Исследование поддержано IMRA America и Национальным научным фондом (номера грантов NNCI-1542081, EEC-1160504 DMR-1719875 и DMR-1539918).
Среди других исследователей статьи – адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Эммануил Киупакис; Доцент кафедры материаловедения и инженерии Роберт Ховден; и научные сотрудники аспиранта UM Питер Мейсенхаймер и Сок Хён Сон.