研究人员利用二维磁性材料进行节能计算

由磁性材料构建的实验性计算机存储器和处理器使用的能量远低于传统的硅基器件。二维磁性材料由只有几个原子厚的层组成，具有令人难以置信的特性，可以使基于磁性的设备实现前所未有的速度、效率和可扩展性

尽管在这些所谓的范德华磁性材料能够集成到正常工作的计算机中之前，必须克服许多障碍，但麻省理工学院的研究人员通过演示在室温下对范德华磁体的精确控制，朝着这个方向迈出了重要一步

这是关键，因为由原子薄的范德华材料组成的磁体通常只能在极冷的温度下进行控制，因此很难在实验室外部署

研究人员在室温下使用电流脉冲来切换设备的磁化方向。磁开关可以用于计算，就像晶体管在打开和关闭之间切换以在二进制代码或计算机存储器中表示0和1一样，在计算机存储器中切换可以实现数据存储。这项研究发表在《自然通讯》上

该团队向一种由新材料制成的磁体发射电子爆发，这种材料可以在更高的温度下保持其磁性。该实验利用了电子的一种基本性质，即自旋，使电子表现得像微小的磁铁。通过操纵撞击该设备的电子的自旋，研究人员可以切换其磁化强度

“与体磁器件所需的电流相比，我们开发的异质结构器件需要低一个数量级的电流来切换范德华磁体，”AT&；T麻省理工学院媒体实验室和神经生物学工程中心的职业发展助理教授，纳米控制论生物技术实验室负责人，也是一篇关于这项技术的论文的资深作者。“我们的设备也比其他在室温下无法切换的范德华磁铁更节能。”

未来，这种磁铁可以用来制造更快、耗电更少的计算机。它还可以实现非易失性的磁性计算机存储器，这意味着它们在断电时不会泄露信息，或者使复杂的人工智能算法更节能的处理器

Sarkar实验室的研究生、该论文的共同主要作者Shivam Kajale表示：“试图改进过去效果良好的材料有很多惯性。但我们已经表明，如果你做出根本性的改变，从重新思考你正在使用的材料开始，你可能会得到更好的解决方案。”

原子薄的优势

在洁净室中用硅等大块材料制造微小计算机芯片的方法可能会阻碍设备的发展。例如，材料层可能只有1纳米厚，因此表面上微小的粗糙点可能严重到足以降低性能

相比之下，范德华磁性材料本质上是分层的，其结构使得表面保持完全光滑，即使研究人员剥离层来制造更薄的器件。此外，一层中的原子不会泄漏到其他层中，使材料在堆叠在设备中时能够保持其独特的特性

Kajale说：“在扩大规模和使这些磁性设备在商业应用中具有竞争力方面，范德华材料是未来的发展方向。”

但有个问题。这种新型磁性材料通常只在低于60开尔文（-351华氏度）的温度下工作。为了构建磁性计算机处理器或存储器，研究人员需要在室温下使用电流来操作磁体

为了实现这一目标，该团队专注于一种名为碲化铁镓的新兴材料。这种原子级薄的材料具有有效室温磁性所需的所有特性，并且不含稀土元素，这是不可取的，因为提取稀土元素对环境特别有害

Nguyen使用一种特殊的技术小心地生长了这种2D材料的大块晶体。然后，Kajale在六纳米的铂层下面使用纳米级的碲化铁镓薄片制造了一个双层磁性器件

他们手里拿着一个微型设备，利用电子的一种固有特性，即自旋，在室温下切换其磁化强度

电子乒乓

虽然电子在技术上不像陀螺那样“旋转”，但它们确实具有相同的角动量。这种旋转有一个方向，要么向上，要么向下。研究人员可以利用一种称为自旋-轨道耦合的特性来控制他们向磁体发射的电子的自旋

与一个球撞击另一个球时动量传递的方式相同，电子撞击时会将其“自旋动量”传递给2D磁性材料。根据自旋的方向，动量传递可以逆转磁化

从某种意义上说，这种转移使磁化从上到下旋转（反之亦然），因此被称为“转矩”，如自旋轨道转矩切换。施加负电脉冲会使磁化向下，而施加正脉冲会使其向上

研究人员可以在室温下进行这种切换，原因有两个：碲化铁镓的特殊性质和他们的技术使用少量电流的事实。向设备中注入过多的电流会导致设备过热和消磁

Kajale说，在实现这一里程碑的两年里，团队面临着许多挑战。找到合适的磁性材料只是成功的一半。由于碲化铁镓氧化快，织物