Alors que nos vies deviennent de plus en plus liées à la technologie, qu'il s'agisse de prendre en charge la communication tout en travaillant à distance ou en diffusant notre émission préférée, notre dépendance aux données créées par ces appareils augmente également. Les centres de données prenant en charge ces écosystèmes technologiques produisent une empreinte carbone importante et consomment 200 térawattheures d'énergie chaque année, supérieure à la consommation annuelle d'énergie de l'Iran. Pour équilibrer les préoccupations écologiques tout en répondant à une demande croissante, les avancées dans les processeurs microélectroniques, l'épine dorsale de nombreux appareils et hubs de données de l'Internet des objets (IoT), doivent être efficaces et respectueux de l'environnement.

Les scientifiques des matériaux de la Northwestern University ont développé de nouveaux principes de conception qui pourraient aider à stimuler le développement de futurs matériaux quantiques utilisés pour faire progresser les appareils (IoT) et d'autres technologies gourmandes en ressources tout en limitant les dommages écologiques.

« De nouveaux matériaux et paradigmes informatiques révolutionnaires sont nécessaires pour rendre les centres de données plus économes en énergie à l'avenir, " dit James Rondinelli, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et professeur Morris E. Fine en matériaux et fabrication à la McCormick School of Engineering, qui a dirigé la recherche.

L'étude marque une étape importante dans les efforts de Rondinelli pour créer de nouveaux matériaux non volatils, a faible consommation, et générer moins de chaleur - aspects importants du futur ultrarapide, l'électronique basse consommation et les ordinateurs quantiques qui peuvent aider à répondre à la demande croissante de données dans le monde.

Plutôt que certaines classes de semi-conducteurs utilisant la charge de l'électron dans les transistors pour alimenter l'informatique, les matériaux à base de spin à l'état solide utilisent le spin de l'électron et ont le potentiel de prendre en charge des dispositifs de mémoire à faible énergie. En particulier, les matériaux avec une texture de spin persistante (PST) de haute qualité peuvent présenter une hélice de spin persistante (PSH) à longue durée de vie, qui peut être utilisé pour suivre ou contrôler les informations basées sur le spin dans un transistor.

Bien que de nombreux matériaux à base de spin codent déjà des informations à l'aide de spins, cette information peut être altérée au fur et à mesure que les spins se propagent dans la partie active du transistor. Le roman PST des chercheurs protège cette information de spin sous forme d'hélice, ce qui en fait une plate-forme potentielle où fonctionnent des dispositifs logiques et mémoire à ultrabasse énergie et ultrarapides à base de spin.

L'équipe de recherche a utilisé des modèles de mécanique quantique et des méthodes de calcul pour développer un cadre permettant d'identifier et d'évaluer les textures de spin dans un groupe de matériaux cristallins non centrosymétriques. La capacité de contrôler et d'optimiser les durées de vie des spins et les propriétés de transport de ces matériaux est vitale pour réaliser l'avenir des dispositifs microélectroniques quantiques fonctionnant avec une faible consommation d'énergie.

"La caractéristique limitante de l'informatique basée sur le spin est la difficulté d'atteindre à la fois des spins à longue durée de vie et entièrement contrôlables à partir de matériaux semi-conducteurs et magnétiques conventionnels, " a déclaré Rondinelli. " Notre étude aidera les futurs efforts théoriques et expérimentaux visant à contrôler les spins dans des matériaux autrement non magnétiques pour répondre aux futures exigences économiques et d'échelle. "

Le cadre de Rondinelli a utilisé des modèles efficaces microscopiques et la théorie des groupes pour identifier trois critères de conception de matériaux qui produiraient des textures de spin utiles :densité de porteurs, le nombre d'électrons se propageant dans un champ magnétique effectif, Anisotropie Rashba, le rapport entre les paramètres intrinsèques de couplage spin-orbite des matériaux, et l'occupation de l'espace dynamique, la région PST active dans la structure de bande électronique. Ces caractéristiques ont ensuite été évaluées à l'aide de simulations de mécanique quantique pour découvrir des PSH hautes performances dans une gamme de matériaux à base d'oxyde.

Les chercheurs ont utilisé ces principes et solutions numériques à une série d'équations différentielles de diffusion de spin pour évaluer la texture de spin de chaque matériau et prédire les durées de vie de spin de l'hélice dans la limite de couplage fort spin-orbite. Ils ont également découvert qu'ils pouvaient ajuster et améliorer les performances du PST en utilisant des distorsions atomiques à l'échelle pico. Le groupe a déterminé un matériau PST optimal, Sr3Hf2O7, qui a montré une durée de vie de spin sensiblement plus longue pour l'hélice que dans n'importe quel matériau précédemment rapporté.

"Notre approche fournit une stratégie unique, indépendante de la chimie, pour découvrir, identifier, et évaluer les textures de spin persistantes protégées par la symétrie dans les matériaux quantiques à l'aide de critères intrinsèques et extrinsèques, " a déclaré Rondinelli. " Nous avons proposé un moyen d'augmenter le nombre de groupes spatiaux hébergeant un PST, qui peut servir de réservoir à partir duquel concevoir les futurs matériaux PST, et trouvé encore une autre utilisation pour les oxydes ferroélectriques-composés avec une polarisation électrique spontanée. Notre travail aidera également à guider les efforts expérimentaux visant à mettre en œuvre les matériaux dans des structures de dispositifs réels. »

Un document décrivant le travail, intitulé « Principes et matériaux de découverte pour des textures de spin persistantes protégées par la symétrie avec une longue durée de vie de spin, " a été publié en ligne le 18 septembre dans la revue Question .