Peneliti menggunakan magnet 2D

Memori dan prosesor komputer eksperimental yang dibuat dari bahan magnetik menggunakan daya yang jauh lebih kecil dibandingkan perangkat berbasis silikon tradisional. Bahan magnetik dua dimensi, terdiri dari lapisan yang tebalnya hanya beberapa atom, memiliki sifat luar biasa yang memungkinkan perangkat berbasis magnet mencapai kecepatan, efisiensi, dan skalabilitas yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Meskipun banyak rintangan yang harus diatasi sebelum bahan magnetik van der Waals ini dapat diintegrasikan ke dalam komputer yang berfungsi, para peneliti MIT telah mengambil langkah penting ke arah tersebut dengan menunjukkan kontrol yang tepat terhadap magnet van der Waals pada suhu kamar.

Hal ini penting karena magnet yang terbuat dari bahan van der Waals yang atomnya tipis biasanya hanya dapat dikontrol pada suhu yang sangat rendah, sehingga sulit untuk dipasang di luar laboratorium.

Para peneliti menggunakan gelombang arus listrik untuk mengubah arah magnetisasi perangkat pada suhu kamar. Peralihan magnetik dapat digunakan dalam perhitungan, seperti halnya transistor beralih antara terbuka dan tertutup untuk mewakili 0 dan 1 dalam kode biner, atau dalam memori komputer, di mana peralihan memungkinkan data disimpan.

Tim menembakkan pelepasan elektron ke magnet yang terbuat dari bahan baru yang dapat mempertahankan daya magnetnya pada suhu lebih tinggi. Eksperimen ini memanfaatkan sifat dasar elektron yang dikenal sebagai spin, yang membuat elektron berperilaku seperti magnet kecil. Dengan memanipulasi putaran elektron yang mengenai perangkat tersebut, para ilmuwan dapat mengubah magnetisasinya.

“Perangkat heterostruktur yang kami kembangkan memerlukan arus listrik dengan urutan besarnya lebih rendah untuk mengalihkan magnet van der Waals dibandingkan dengan yang diperlukan untuk perangkat magnet massal,” kata Deblina Sarkar, Asisten Pengembangan Karir AT&T di MIT Media Lab and Center. untuk Teknik Neurobiologi, kepala Lab Biotrek Nano-Cybernetic dan penulis utama makalah tentang teknik ini. “Perangkat kami juga lebih hemat energi dibandingkan magnet van der Waals lainnya yang tidak dapat beralih pada suhu kamar.”

Di masa depan, magnet semacam itu dapat digunakan untuk membangun komputer yang lebih cepat dan menggunakan lebih sedikit listrik. Hal ini juga dapat mengaktifkan memori magnetik komputer yang bersifat nonvolatile, yang berarti memori tersebut tidak membocorkan informasi saat dimatikan, atau prosesor yang membuat algoritme AI yang kompleks menjadi lebih hemat energi.

“Ada banyak kelembaman dalam upaya memperbaiki material yang telah bekerja dengan baik di masa lalu. Namun kami telah menunjukkan bahwa jika Anda melakukan perubahan radikal, dimulai dengan memikirkan kembali bahan yang Anda gunakan, Anda berpotensi mendapatkan solusi yang lebih baik,” kata Shivam Kajale, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Sarkar dan salah satu penulis makalah tersebut.

Kajal dan Sarkar bergabung dalam makalah ini oleh rekan penulis Thanh Nguyen, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Sains dan Teknik Nuklir (NSE); Corson Chao, mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu dan Teknik Material (DSME); David Bono, peneliti DSME; Artittaya Boonkird, mahasiswa pascasarjana NSE; dan Mingda Li, profesor ilmu dan teknik nuklir. Penelitian ini muncul minggu ini di Sifat komunikasi.

Keuntungan yang sangat tipis

Metode Cleanroom yang membuat chip komputer kecil dari bahan berukuran besar seperti silikon dapat memperlambat perangkat. Misalnya, lapisan material hanya setebal 1 nanometer, sehingga bintik-bintik kecil yang kasar pada permukaannya bisa cukup parah sehingga menurunkan kinerja.

Sebaliknya, bahan magnetik van der Waals memiliki lapisan internal dan terstruktur sedemikian rupa sehingga permukaannya tetap halus sempurna bahkan ketika para peneliti mengupas lapisan tersebut untuk membuat perangkat yang lebih tipis. Selain itu, atom dalam satu lapisan tidak menembus lapisan lainnya, sehingga bahan dapat mempertahankan sifat uniknya saat ditumpuk ke dalam perangkat.

“Dalam hal meningkatkan dan menjadikan perangkat magnetik ini kompetitif untuk aplikasi komersial, material van der Waals adalah pilihan yang tepat,” kata Kajale.

Tapi ada batasannya. Bahan magnetik kelas baru ini biasanya dioperasikan hanya pada suhu di bawah 60 Kelvin (-351 derajat Fahrenheit). Untuk membangun prosesor atau memori komputer yang bersifat magnetis, peneliti harus menggunakan arus listrik untuk mengendalikan magnet pada suhu kamar.

Untuk melakukan hal ini, tim fokus pada bahan baru yang disebut gallium iron telluride. Bahan yang atomnya tipis ini memiliki semua sifat yang diperlukan untuk magnetisme efektif pada suhu kamar dan tidak mengandung unsur tanah jarang, yang tidak diinginkan karena ekstraksinya sangat merusak lingkungan.

Nguyen dengan hati-hati menumbuhkan kristal massal dari bahan 2D ini menggunakan teknik khusus. Kajale kemudian membuat perangkat magnetik dua lapis menggunakan serpihan nano besi galium tellurida di bawah lapisan platinum enam nanometer.

Sebuah perangkat kecil di tangan, mereka menggunakan sifat intrinsik elektron yang dikenal sebagai spin untuk mengubah magnetisasi pada suhu kamar.

Pingpong elektronik

Meskipun elektron secara teknis tidak “berputar” seperti bagian atas, mereka memiliki momentum sudut yang sama. Rotasi itu ada arahnya, bisa naik atau turun. Para ilmuwan dapat menggunakan properti yang dikenal sebagai kopling spin-orbit untuk mengontrol putaran elektron yang ditembakkan ke magnet.

Dengan cara yang sama seperti momentum ditransfer ketika satu bola menabrak bola lainnya, elektron mentransfer “momentum putaran” mereka ke bahan magnetik 2D ketika mereka bertabrakan dengannya. Tergantung pada arah putarannya, perpindahan momentum ini dapat membalikkan magnetisasi.

Dalam arti tertentu, transfer ini membalik magnetisasi dari atas ke bawah (atau sebaliknya), sehingga disebut “torsi”, seperti peralihan torsi putaran-orbit. Pemberian impuls listrik negatif menyebabkan magnetisasi turun, sedangkan impuls positif menyebabkan magnetisasi naik.

Para peneliti dapat melakukan peralihan ini pada suhu kamar karena dua alasan: sifat khusus telurida besi galium dan fakta bahwa teknik mereka menggunakan sedikit listrik. Memompa terlalu banyak arus ke perangkat akan menyebabkan perangkat menjadi terlalu panas dan mengalami kerusakan magnet.

Tim menghadapi banyak tantangan dalam dua tahun untuk mencapai tonggak sejarah ini, kata Kajale. Menemukan bahan magnet yang tepat hanyalah setengah dari perjuangan. Karena telurida besi galium teroksidasi dengan cepat, produksi harus dilakukan dalam kompartemen penyimpanan berisi nitrogen.

“Perangkat hanya terkena udara selama 10 atau 15 detik, namun itupun saya harus melakukan langkah pemolesan untuk menghilangkan semua oksidanya,” ujarnya.

Kini setelah mereka menunjukkan peralihan suhu ruangan dan efisiensi energi yang lebih tinggi, para peneliti berencana untuk terus meningkatkan kinerja bahan magnetik van der Waals.

“Pencapaian kami berikutnya adalah mencapai peralihan tanpa memerlukan medan magnet eksternal. Tujuan kami adalah meningkatkan teknologi dan memperluasnya guna menghadirkan keserbagunaan magnet van der Waals untuk aplikasi komersial,” kata Sarkar.

Pekerjaan ini dilakukan sebagian dengan menggunakan fasilitas di MIT.Nano dan Pusat Sistem Skala Nano Universitas Harvard.