麻省理工学院的科学家们已经解决了将二维磁性材料投入实际应用的关键障碍，为下一代节能计算机奠定了基础。
在全球范围内，在人工智能的推动下，计算正在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。
使用磁性材料来构建存储器和处理器等计算设备已成为创建“超越 CMOS”计算机的一种有前途的途径，与传统计算机相比，这种计算机使用的能源要少得多。磁体中的磁化切换可用于计算，就像晶体管从打开或关闭切换以表示二进制代码的 0 和 1 一样。
虽然这一方向的大部分研究都集中在使用块状磁性材料，但一类新型磁性材料(称为二维范德华磁体)提供了卓越的性能，可以提高磁性设备的可扩展性和能源效率，使其商业化可行的。
尽管转向二维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却受到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，就像超导体一样。因此，将其工作温度提高到室温以上仍然是首要目标。此外，对于在计算机中使用，重要的是它们可以被电控制，而不需要磁场。弥合这一基本差距，即二维磁性材料可以在室温以上且无需任何磁场的情况下进行电切换，有可能将二维磁体转化为下一代“绿色”计算机。
麻省理工学院的一个研究小组现在通过设计一种“范德华原子分层异质结构”装置实现了这一重要里程碑，其中二维范德华磁体(碲化铁镓)与另一种二维材料(二碲化钨)连接。在 3 月 15 日发表在Science Advances上的一篇开放获取论文中，该团队表明，只需在其两层器件上施加电流脉冲，即可在 0 和 1 状态之间切换磁铁。
“我们的设备无需外部磁场即可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计算技术带来了前所未有的机遇，”该研究的第一作者、AT&T 职业发展助理教授 Deblina Sarkar 说道。麻省理工学院媒体实验室和神经生物工程中心，以及纳米控制论生物迷航研究小组的负责人。“此外，我们器件的原子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性的可能性，以及灵活和透明的自旋电子技术。”
萨卡和媒体实验室萨卡研究小组的研究生 Shivam Kajale 共同撰写了这篇论文。Thanh Nguyen，核科学与工程系(NSE)研究生;Nguyen Tuan Hung，麻省理工学院NSE访问学者、日本东北大学助理教授;李明达，NSE 副教授。
打破镜像对称
Kajale 说，当电流流过铂或钽等重金属时，电子会根据其自旋分量在材料中分离，这种现象称为自旋霍尔效应。这种分离发生的方式取决于材料，尤其是其对称性。
卡贾勒指出：“重金属中电流向自旋电流的转换是磁体电气控制的核心。” “传统使用的材料(如铂)的微观结构具有一种镜面对称性，这将自旋电流仅限于面内自旋极化。”
Kajale 解释说，必须打破两个镜像对称性才能产生“面外”自旋分量，该分量可以转移到磁性层以引发无场切换。“电流可以‘打破’铂中沿一个平面的镜面对称性，但其晶体结构可以防止镜面对称性在第二个平面上被打破。”
在早期的实验中，研究人员使用小磁场来打破第二个镜面。为了摆脱对磁力推动的需要，卡贾勒和萨卡及其同事转而寻找一种材料，其结构可以在没有外部帮助的情况下打破第二个镜面。这导致他们开发出另一种二维材料：二碲化钨。研究人员使用的二碲化钨具有斜方晶体结构。该材料本身有一个破碎的镜面。因此，通过沿着其低对称轴(平行于破碎的镜面)施加电流，所产生的自旋电流具有面外自旋分量，该分量可以直接引起与二碲化钨界面的超薄磁体的切换。
“因为它也是一种 2D 范德华材料，所以当我们将两种材料堆叠在一起时，它还可以确保我们获得原始的界面和材料之间良好的电子自旋流动，”Kajale 说。
变得更加节能
由磁性材料制成的计算机内存和处理器比传统的硅基设备消耗更少的能源。研究人员指出，与块状磁性材料相比，范德华磁体可以提供更高的能源效率和更好的可扩展性。
用于切换磁体的电流密度转化为切换期间消耗的能量多少。较低的密度意味着材料的能源效率更高。“新设计是范德华磁性材料中电流密度最低的设计之一，”Kajale 说。“这种新设计的散装材料所需的开关电流降低了一个数量级。这意味着能源效率提高了两个数量级。”
研究小组目前正在研究类似的低对称性范德华材料，看看它们是否可以进一步降低电流密度。他们还希望与其他研究人员合作，寻找商业规模制造二维磁性开关器件的方法。
