Lorsque l'efficacité énergétique de l'électronique pose un défi, les matériaux magnétiques peuvent avoir une solution.

L'efficacité énergétique fera ou détruira l'avenir. Alors que la demande d'énergie provenant de l'électronique continue de croître, la Semiconductor Research Corporation avertit que d'ici deux décennies, la demande informatique mondiale d'énergie sera supérieure à la quantité totale produite. Vincent Sokalski, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Carnegie Mellon, travaille sur une solution à ce problème en utilisant des matériaux magnétiques pour une mémoire et un calcul écoénergétiques.

Sokalski a récemment reçu une subvention de 1,8 million de dollars de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) pour son projet, "Skyrmions de mur de domaine :excitations topologiques confinées aux canaux 1-D." Aux côtés des Professeurs CMU Marc De Graef (MSE) et Di Xiao (Physique), Sokalski explorera de nouvelles façons de traiter et de stocker efficacement les informations avec des matériaux magnétiques.

Bien que les matériaux magnétiques soient déjà utilisés dans les disques durs d'aujourd'hui pour le stockage à long terme, les semi-conducteurs sont actuellement utilisés pour la mémoire à court terme et le traitement, c'est là que la plus grande partie de l'énergie est consommée. Cependant, à mesure que les semi-conducteurs rétrécissent pour répondre aux attentes des consommateurs en matière de vitesse et de densité, il y a une limite à la façon dont ils peuvent être réduits sans risquer de perdre des informations. La DARPA reconnaît ce défi, et des projets de recherche financés par le programme "Topological Excitations in Electronics" de la DARPA sur la recherche de moyens d'utiliser la "protection topologique" pour améliorer les matériaux magnétiques pouvant être utilisés pour le stockage de mémoire d'ordinateur ou les processeurs.

Imaginez un bol avec une petite boule qui roule à l'intérieur. En le secouant, la balle monte et descend les parois du bol, rester à l'intérieur. Cependant, si vous l'avez fait avec un bol plus petit, la balle pourrait éventuellement tomber. De la même manière, lorsqu'un semi-conducteur est exposé à la chaleur, il risque de perdre des informations. Plus vous fabriquez de semi-conducteurs, plus il y a de risque de perte de données.

"La physique fondamentale derrière cela n'est pas quelque chose que nous pouvons facilement changer, " explique Sokalski, « mais nous pouvons examiner des systèmes et des mécanismes matériels entièrement différents où nous nous déplaçons autour de caractéristiques magnétiques, et utiliser ces caractéristiques magnétiques pour modifier la résistance d'un dispositif informatique. Mais pour ce faire, nous avons vraiment besoin d'explorer et de découvrir de nouveaux matériaux qui peuvent servir cet objectif."

Entrez les matériaux magnétiques. En améliorant les matériaux magnétiques, Sokalski espère un jour trouver de nouveaux matériaux qui pourraient augmenter, voire remplacer, semi-conducteurs en informatique.

Le projet de Sokalski commence avec des skyrmions magnétiques, ou des bulles magnétiques 2-D. S'il est utilisé dans la mémoire de l'ordinateur, chaque bulle stockerait un seul bit de données.

"Les skyrmions sont une renaissance de l'idée de bulle de mémoire" qui a été largement étudiée dans les années 1970 et 80, dit Sokalski. "Sauf que maintenant les bulles sont beaucoup plus petites, plus stable, et avoir une protection topologique, afin que nous puissions les déplacer avec une plus grande efficacité énergétique que nous n'aurions jamais pu les déplacer il y a environ 40 ou 50 ans. »

Dans les matériaux magnétiques, Considérez chaque électron comme un minuscule barreau magnétique avec un pôle nord et un pôle sud pointant tous dans la même direction. C'est ce qu'on appelle des tours. Sokalski s'intéresse à la façon de créer des défauts topologiques dans les lignes de ces spins.

Pour comprendre l'importance de la protection topologique, vous devez d'abord comprendre les défauts topologiques. Imaginez empiler un plateau de fromages avec un ami. L'un de vous commence du côté droit du plateau, empiler chaque morceau de fromage sur le suivant, et l'autre commence du côté gauche. Finalement, tu te rencontreras au milieu, et vos tranches de fromage se heurteront, plutôt que d'aligner sous le même angle. Ce point où ils se heurtent est l'essence d'un défaut topologique.

Pour effacer un défaut topologique, il faudrait retourner chaque "tranche de fromage" d'un côté du défaut. En magnétisme, si la moitié de vos tours dans une chaîne pointe vers l'intérieur vers la gauche, et tous les autres pointent dans la direction opposée, vous auriez un défaut au milieu. Afin de faire disparaître le défaut, il faudrait inverser chaque rotation d'un côté, en l'éloignant jusqu'au bord de la chaîne.

En magnétisme, ces défauts topologiques sont très précieux. Si vous avez un défaut topologique, cela signifie que vos données sont protégées topologiquement, parce que si un seul tour se retourne spontanément pour pointer dans la direction opposée, le défaut ne fait que se déplacer, plutôt que de s'en aller.

Pourquoi ce sujet émerge-t-il soudainement dans la recherche sur les matériaux magnétiques ? Tout le magnétisme est basé sur ce qu'on appelle l'échange Heisenberg, un effet de mécanique quantique qui provoque l'alignement des spins des électrons dans une orientation parallèle. Cependant, la découverte d'un nouveau phénomène appelé l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) conduit à un alignement perpendiculaire de spins voisins. La combinaison de Heisenberg Exchange et DMI, c'est ce qu'étudie Sokalski, donne naissance à un nouveau type de magnétisme qui fait que les spins des électrons ont une configuration en spirale continue.

"Il s'avère que les caractéristiques des matériaux magnétiques qui sont stabilisées par cette nouvelle interaction peuvent en fait être manipulées avec une meilleure efficacité que dans les cas où il ne s'agit que de l'échange Heisenberg, " dit Sokalski.

Avoir un meilleur contrôle sur les skyrmions et les défauts topologiques signifierait un stockage de données plus fiable et une efficacité énergétique dans l'informatique.

"La DARPA cherche à contourner le défi en suspens de l'électronique économe en énergie, " dit Sokalski, « et cela va des concepts physiques les plus fondamentaux du spin à la conception d'ordinateurs dotés d'une architecture de circuit totalement différente. tout en atténuant leur empreinte énergétique mondiale."

Doctorat MSE les étudiants Maxwell Li et Derek Lau et le chercheur postdoctoral en physique Ran Cheng collaborent à ce projet, en plus des co-PI Tim Mewes et Claudia Mewes à l'Université d'Alabama.