Nouveaux principes de conception pour les matériaux quantiques basés sur le spin – Technoguide

Alors que nos vies sont de plus en plus liées à la technologie – que ce soit pour soutenir la communication tout en travaillant à distance ou en streaming notre émission préférée – notre dépendance à l’égard des données que ces appareils créent également. Les centres de données soutenant ces écosystèmes technologiques produisent une empreinte carbone significative – et consomment 200 térawattheures d’énergie chaque année, plus que la consommation d’énergie annuelle de l’Iran. Pour équilibrer les préoccupations écologiques tout en répondant à la demande croissante, les progrès des processeurs microélectroniques – l’épine dorsale de nombreux appareils et centres de données de l’Internet des objets (IoT) – doivent être efficaces et respectueux de l’environnement.

Les scientifiques des matériaux de l’Université Northwestern ont développé de nouveaux principes de conception qui pourraient aider à stimuler le développement de futurs matériaux quantiques utilisés pour faire progresser les dispositifs (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», a déclaré James Rondinelli, professeur de science et génie des matériaux et professeur Morris E. Fine en matériaux et fabrication à la McCormick School of Ingénierie, qui a dirigé la recherche.

L’étude marque une étape importante dans les efforts de Rondinelli pour créer de nouveaux matériaux non volatils, écoénergétiques et générant moins de chaleur – des aspects importants des futurs ordinateurs quantiques et électroniques ultrarapides de faible puissance qui peuvent aider à répondre à la demande mondiale croissante de Les données.

Plutôt que certaines classes de semi-conducteurs utilisant la charge de l’électron dans les transistors pour alimenter le calcul, 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) de longue durée de vie, qui peut être utilisée 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, ces informations peuvent être corrompues lorsque les spins se propagent dans la partie active du transistor. Le nouveau PST des chercheurs protège ces informations de spin sous forme d’hélice, ce qui en fait une plate-forme potentielle où fonctionnent des dispositifs logiques et de mémoire ultra-faibles à énergie ultra-rapide et ultra-rapides.

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 de spin et les propriétés de transport de ces matériaux est vitale pour réaliser l’avenir des dispositifs microélectroniques quantiques qui fonctionnent avec une faible consommation d’énergie.

“La caractéristique limitative de l’informatique basée sur le spin est la difficulté à atteindre des spins à la fois 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 à la future mise à l’échelle et aux demandes économiques.”

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: la densité des porteurs, le nombre d’électrons se propageant à travers un champ magnétique effectif, l’anisotropie de Rashba, le rapport entre les paramètres de couplage spin-orbite intrinsèques du matériaux, et occupation de l’espace momentum, 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’oxydes.

Les chercheurs ont utilisé ces principes et solutions numériques pour 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 spin-orbite forte. Ils ont également découvert qu’ils pouvaient ajuster et améliorer les performances du PST en utilisant des distorsions atomiques à l’échelle pico-dimensionnelle. 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 symétrie dans les matériaux quantiques en utilisant des critères intrinsèques et extrinsèques», a déclaré Rondinelli. «Nous avons proposé un moyen d’augmenter le nombre de groupes spatiaux hébergeant un PST, qui pourrait servir de réservoir à partir duquel concevoir de futurs matériaux PST, et trouvé une autre utilisation pour les oxydes ferroélectriques – des composés à polarisation électrique spontanée. Nos travaux ont également aidera à guider les efforts expérimentaux visant à mettre en œuvre les matériaux dans des structures de dispositifs réels. “

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université Northwestern. Original écrit par Alex Gerage. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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