Son derece hızlı, kompakt bilgisayar belleğine giden yolu açmak

Bilim insanları onlarca yıldır, bilgisayar belleği, kimyasal sensörler ve kuantum bilgisayarları da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda faydalı olabilecek, multiferroik adı verilen sıra dışı bir malzeme grubunu inceliyorlar.

Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada , Austin'deki Teksas Üniversitesi ve Max Planck Madde Yapısı ve Dinamiği Enstitüsü'nden (MPSD) araştırmacılar, katmanlı çoklu ferroik malzeme nikel iyodürün (NiI 2 ) son derece hızlı ve kompakt cihazlar için şu ana kadarki en iyi aday olabileceğini gösterdi.

Çoklu ferroikler, manyetoelektrik kuplaj adı verilen özel bir özelliğe sahiptir, bu da bir elektrik alanıyla malzemenin manyetik özelliklerini ve tam tersi, manyetik alanlarla elektriksel özelliklerini değiştirebileceğiniz anlamına gelir. Araştırmacılar, NiI 2'nin türünün bilinen herhangi bir malzemesinden daha büyük bir manyetoelektrik kuplaja sahip olduğunu buldular ve bu da onu teknoloji ilerlemeleri için birincil aday haline getiriyor.

UT'de fizik alanında doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ortak baş yazarı olan Frank Gao, "Bu etkilerin atomik olarak ince nikel iyodür pulları ölçeğinde ortaya çıkarılması zorlu bir meydan okumaydı," dedi ve ekledi, "Ancak başarımız, çoklu ferroikler alanında önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor."

Projenin diğer eş baş yazarı ve lisansüstü öğrencisi Xinyue Peng ise, "Keşfimiz, manyetik bellekler de dahil olmak üzere son derece hızlı ve enerji açısından verimli manyetoelektrik cihazlar için yol açıyor" diye ekledi.

Elektrik ve manyetik alanlar dünyayı anlamamız ve modern teknolojiler için temeldir. Bir malzemenin içinde, elektrik yükleri ve atomik manyetik momentler, özelliklerinin bir araya gelerek bir elektrik polarizasyonu veya bir mıknatıslanma oluşturması şeklinde düzenlenebilir. Bu tür malzemeler, bu niceliklerden hangisinin düzenli bir durumda olduğuna bağlı olarak ferroelektrikler veya ferromanyetikler olarak bilinir.

Ancak, multiferroik olan egzotik malzemelerde, bu tür elektrik ve manyetik düzenler bir arada bulunur. Manyetik ve elektrik düzenleri, birindeki bir değişikliğin diğerinde bir değişikliğe neden olacağı şekilde iç içe geçebilir.

Manyetoelektrik kuplaj olarak bilinen bu özellik, bu malzemeleri daha hızlı, daha küçük ve daha verimli cihazlar için çekici adaylar haline getirir. Bu tür cihazların etkili bir şekilde çalışması için, araştırma ekibinin çalışmalarında NiI 2 ile yaptığı gibi, özellikle güçlü manyetoelektrik kuplajı olan malzemeler bulmak önemlidir.

Araştırmacılar bunu, femtosaniye (saniyenin milyarda birinin milyonda biri) aralığındaki ultra kısa lazer darbeleriyle malzemeyi uyararak ve daha sonra malzemenin elektrik ve manyetik düzenlerindeki ve manyetoelektrik kuplajındaki ortaya çıkan değişiklikleri, bunların belirli optik özellikler üzerindeki etkileri yoluyla izleyerek başardılar.

NiI2'deki manyetoelektrik bağlantının benzer malzemelere kıyasla neden çok daha güçlü olduğunu anlamak için ekip kapsamlı hesaplamalar yaptı.

"Burada iki faktör önemli rol oynuyor," diyor MPSD'den ortak yazar Emil Viñas Boström. "Bunlardan biri, iyot atomlarındaki elektronların spini ve yörünge hareketi arasındaki güçlü bağlantıdır ; bu, spin-yörünge bağlantısı olarak bilinen göreli bir etkidir. İkinci faktör, nikel iyodürdeki manyetik düzenin spin spirali veya spin heliksi olarak bilinen özel biçimidir. Bu düzenleme, hem ferroelektrik düzeni başlatmak hem de manyetoelektrik bağlantının gücü için çok önemlidir."

Araştırmacılara göre, büyük manyetoelektrik bağlantıya sahip NiI 2 gibi malzemeler geniş bir potansiyel uygulama yelpazesine sahiptir. Bunlar arasında kompakt, enerji açısından verimli ve mevcut bellekten çok daha hızlı depolanıp geri alınabilen manyetik bilgisayar belleği; kuantum hesaplama platformlarındaki ara bağlantılar; ve kimya ve ilaç endüstrilerinde kalite kontrolü ve ilaç güvenliğini sağlayabilen kimyasal sensörler yer almaktadır.

Araştırmacılar, bu çığır açan içgörülerin benzer manyetoelektrik özelliklere sahip diğer malzemeleri belirlemek için kullanılabileceğini ve diğer malzeme mühendisliği tekniklerinin NiI2'deki manyetoelektrik bağlantının daha da geliştirilmesine yol açabileceğini umuyorlar.

Bu çalışma, UT'de fizik yardımcı doçenti olan Edoardo Baldini ve MPSD direktörü Angel Rubio tarafından tasarlanmış ve denetlenmiştir.

Makalenin diğer UT yazarları Dong Seob Kim ve Xiaoqin Li'dir. MPSD'nin diğer yazarları Xinle Cheng ve Peizhe Tang'dır. Ek yazarlar Academia Sinica'dan Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar ve Shang-Fan Lee; Bremen Üniversitesi'nden Michael A. Sentef; ve California Teknoloji Enstitüsü'nden Takashi Kurumaji'dir.

Austin'deki Texas Üniversitesi tarafından sağlanmıştır.

Kaynakça:

^[1] Phys.org | Paving the way to extremely fast, compact computer memory