向绿色计算机推进原子层磁体

在全球范围内，在人工智能热潮的推动下，计算正以前所未有的速度蓬勃发展。因此，世界计算基础设施惊人的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

使用磁性材料构建存储器和处理器等计算设备已成为创建“超越CMOS”计算机的一种很有前途的途径，与传统计算机相比，这种计算机将消耗更少的能量。磁体中的磁化切换可以在计算中使用，就像晶体管从打开或关闭切换来表示二进制代码的0和1一样

虽然这一方向的大部分研究都集中在使用大块磁性材料上，但一类新的磁性材料&mdash；称为二维范德华磁体&mdash；提供了优越的性能，可以提高磁性器件的可扩展性和能效，使其在商业上可行

尽管转向2D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了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，很像超导体。因此，使它们的工作温度高于室温仍然是一个主要目标。此外，对于在计算机中使用，重要的是它们可以在不需要磁场的情况下进行电气控制

在没有任何磁场的情况下，二维磁性材料可以在室温以上进行电气切换，弥合这一基本差距可能会将二维磁体转化为下一代“绿色”计算机

麻省理工学院的一组研究人员现在通过设计一种“范德华原子层异质结构”器件实现了这一关键里程碑，其中2D范德华磁体碲化铁镓与另一种2D材料二碲化钨对接。在《科学进展》杂志上发表的一篇开放获取论文中，该团队表明，只需在磁体的两层设备上施加电流脉冲，磁体就可以在0和1状态之间切换

“我们的设备能够在不需要外部磁场的情况下实现强大的磁化切换，为大数据和人工智能的超低功耗和环境可持续的计算技术开辟了前所未有的机会，”首席作者、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研究小组负责人。“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谐性的可能性，以及灵活透明的自旋电子技术。”

Sarkar与第一作者Shivam Kajale一起发表了这篇论文，Shivam Kajale是Sarkar在媒体实验室研究小组的研究生；核科学与工程系研究生Thanh Nguyen；Nguyen Tuan Hung，麻省理工学院NSE访问学者，日本东北大学助理教授；以及NSE副教授李明达

自旋电子学的未来：在没有外部磁场的情况下操纵原子层中的自旋来源：Deblina Sarkar

打破镜像对称性

Kajale说，当电流流经铂或钽等重金属时，电子会根据其自旋成分在材料中分离，这种现象被称为自旋霍尔效应。这种偏析的发生方式取决于材料，尤其是其对称性

Kajale指出：“重金属中电流到自旋电流的转换是电气控制磁体的核心。”。“传统使用的材料（如铂）的微观结构具有一种镜像对称性，这将自旋电流仅限于平面内的自旋极化。”

Kajale解释说，必须打破两个镜像对称性才能产生“平面外”的自旋分量，该分量可以转移到磁性层上，以诱导无场切换。“电流可以‘破坏’铂中一个平面的镜像对称性，但其晶体结构可以防止镜像对称性在第二个平面被破坏。”

在早期的实验中，研究人员使用小磁场破坏了第二个镜像平面。为了摆脱对磁性轻推的需求，Kajale和Sarkar及其同事转而寻找一种结构可以在没有外部帮助的情况下破坏第二个镜面的材料。这使他们找到了另一种2D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。材料本身有一个破碎的镜面。因此，通过沿其低对称轴（平行于断裂的反射镜平面）施加电流，所产生的自旋电流具有平面外自旋分量，该分量可以直接在与二碲化钨界面的超薄磁体中引起切换

Kajale说：“因为它也是一种2D范德华材料，所以它还可以确保当我们将两种材料堆叠在一起时，我们可以在材料之间获得原始的界面和良好的电子自旋流。”

变得更节能

由磁性材料构建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效和更好的可扩展性

用于切换磁体的电流密度转化为释放的能量