Van-Der-Waals-Materialien Magnetische 2D-Materialien für energieeffiziente CPUs

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Ein MIT-Team hat einen ultradünnen Magneten bei Raumtemperatur präzise gesteuert, was schnellere und effizientere Prozessoren und Computerspeicher mit sich bringen könnte.

Experimentelle Computerspeicher und Prozessoren aus magnetischen Materialien verbrauchen weit weniger Energie als herkömmliche Geräte auf Siliziumbasis. Zweidimensionale magnetische Materialien, die aus nur wenige Atome dünnen Schichten bestehen, haben unglaubliche Eigenschaften, die es ermöglichen könnten, mit magnetischen Komponenten eine noch nie da gewesene Geschwindigkeit, Effizienz und Skalierbarkeit zu erreichen.

Zwar müssen noch viele Hürden überwunden werden, bis diese sogenannten Van-Der-Waals-Magnetmaterialien in funktionierende Computer integriert werden können, doch haben MIT-Forscher einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan, indem sie die präzise Steuerung eines Van-Der-Waals-Magneten bei Raumtemperatur demonstrierten.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da sich Magnete aus atomar dünnen Van-Der-Waals-Materialien in der Regel nur bei extrem niedrigen Temperaturen steuern lassen, was ihren Einsatz außerhalb eines Labors erschwert.

Stromimpulse zur Kontrolle der Magnetisierung

Die Forscher verwendeten elektrische Stromimpulse, um die Richtung der Magnetisierung des Bauelementes bei Raumtemperatur zu ändern. Magnetisches Schalten kann für Berechnungen verwendet werden, so wie ein Transistor zwischen offen und geschlossen wechselt, um 0 und 1 im Binärcode darzustellen. Oder in Computerspeichern, wo das Schalten die Datenspeicherung ermöglicht.

Das Team schoss Elektronenstöße auf einen Magneten aus einem neuen Material, das seinen Magnetismus auch bei höheren Temperaturen aufrechterhalten kann. Das Experiment nutzte eine grundlegende Eigenschaft von Elektronen, den sogenannten Spin, der dafür sorgt, dass sich die Elektronen wie winzige Magnete verhalten. Durch Manipulation des Spins der Elektronen, die auf die Komponente treffen, können die Forscher dessen Magnetisierung schalten.

„Das von uns entwickelte Heterostruktur-Bauelement erfordert einen um eine Größenordnung geringeren elektrischen Strom, um den Van-Der-Waals-Magneten zu schalten, als dies bei magnetischen Bauelementen der Fall ist“, sagt Deblina Sarkar, Professorin im MIT Media Lab und Center for Neurobiological Engineering, Leiterin der „Nano-Cybernetic Biotrek“-Gruppe und Hauptautorin eines Berichts über diese Technik. „Unser Bauelement ist auch energieeffizienter als andere Van-Der-Waals-Magnete, die bei Raumtemperatur nicht schalten können.“

In Zukunft könnte ein solcher Magnet zum Bau schnellerer Computer verwendet werden, die weniger Strom verbrauchen. Er könnte auch magnetische Computerspeicher ermöglichen, die nicht flüchtig sind, was bedeutet, dass sie keine Informationen verlieren, wenn sie ausgeschaltet werden - oder Prozessoren, die komplexe KI-Algorithmen energieeffizienter abarbeiten.

„Es gibt eine große Trägheit bei dem Versuch, Materialien zu verbessern, die in der Vergangenheit reibungslos funktioniert haben. Wir haben jedoch gezeigt, dass man durch radikale Veränderungen, angefangen beim Überdenken der verwendeten Materialien, potenziell viele bessere Lösungen erzielen kann“, sagte Shivam Kajale, Doktorand in Sarkars Labor und Mitautor der Studie.

Ein atomar dünner Vorteil

Die Methoden zur Herstellung winziger Computerchips in einem Reinraum aus Bulkmaterialien wie Silizium können die Bauelemente beeinträchtigen. Die Materialschichten können zum Beispiel kaum 1 nm dick sein, weil dann winzige raue Stellen auf der Oberfläche die Performance wahrscheinlich stark beeinträchtigen.

Im Gegensatz dazu sind magnetische Van-Der-Waals-Materialien von Natur aus schichtweise aufgebaut und so strukturiert, dass die Oberfläche vollkommen glatt bleibt, auch wenn die Forscher Schichten abziehen, um dünnere Bauteile herzustellen. Außerdem dringen die Atome einer Schicht nicht in andere Schichten ein, sodass die Materialien ihre einzigartigen Eigenschaften beibehalten, wenn sie in Bauelementen gestapelt werden.

„Wenn es darum geht, diese magnetischen Geräte zu skalieren und für kommerzielle Anwendungen wettbewerbsfähig zu machen, sind Van-Der-Waals-Materialien der richtige Weg“, sagte Kajale. Aber es gibt da einen Haken. Diese neue Klasse von magnetischen Materialien wurde bisher nur bei Temperaturen unter 60 Kelvin eingesetzt. Um einen magnetischen Computerprozessor oder Speicher zu bauen, müssen die Forscher den Magneten bei Raumtemperatur mit elektrischem Strom betreiben.

Um dies zu erreichen, konzentrierte sich das Team auf ein neues Material namens Eisengalliumtellurid. Dieses atomar dünne Material hat alle Eigenschaften, die für einen effektiven Magnetismus bei Raumtemperatur erforderlich sind. Und enthält keine Seltenen Erden, die unerwünscht sind, weil ihre Gewinnung besonders umweltschädlich ist.

Nguyen züchtete Massenkristalle dieses 2D-Materials mit einer speziellen Technik. Anschließend stellte Kajale ein zweischichtiges magnetisches Bauelement her, das Nano-Flocken aus Eisengalliumtellurid unter einer 6 nm dicken Schicht aus Platin enthält. In dem winzigen Bauteil nutzten sie eine intrinsische Eigenschaft von Elektronen, den sogenannten Spin, um die Magnetisierung bei Raumtemperatur zu verändern.

Elektronen-Pingpong

Obwohl sich Elektronen technisch gesehen nicht wie ein Kreisel „drehen“, besitzen sie dieselbe Art von Drehimpuls. Dieser Spin hat eine Richtung, entweder nach oben oder nach unten. Die Forscher können sich eine Eigenschaft zunutze machen, die als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist, um die Spins der Elektronen zu kontrollieren, die sie auf den Magneten schießen.

Genauso wie der Impuls übertragen wird, wenn ein Ball auf einen anderen trifft, übertragen die Elektronen ihren „Spin-Impuls“ auf das 2D-Magnetmaterial, wenn sie auf dieses treffen. Je nach der Richtung ihrer Spins kann diese Impulsübertragung die Magnetisierung umkehren.

In gewissem Sinne dreht diese Übertragung die Magnetisierung von oben nach unten (oder umgekehrt), weshalb sie auch als „Drehmoment“ bezeichnet wird wie bei der Spin-Orbit-Drehmomentumschaltung. Ein negativer elektrischer Impuls bewirkt, dass die Magnetisierung nach unten wandert, ein positiver Impuls, dass sie nach oben wandert.

Die Forscher können diese Schaltung aus zwei Gründen bei Raumtemperatur durchführen, und zwar mit den besonderen Eigenschaften von Eisengalliumtellurid und der Tatsache, dass ihre Technik nur geringe Mengen an elektrischem Strom benötigt. Würde man zu viel Strom in das Gerät pumpen, würde es sich überhitzen und entmagnetisieren.

Das Team stand in den zwei Jahren, die es benötigte, um diesen Meilenstein zu erreichen, vor vielen Herausforderungen, sagte Kajale. Die Suche nach dem richtigen magnetischen Material war nur die halbe Miete. Da Eisengalliumtellurid schnell oxidiert, muss die Herstellung in einer mit Stickstoff gefüllten Glovebox erfolgen. „Das Bauelement wird nur 10 oder 15 Sekunden lang der Luft ausgesetzt, aber selbst danach muss ich es noch polieren, um jegliches Oxid zu entfernen“, erklärte er.

Nachdem sie nun das Schalten bei Raumtemperatur und eine höhere Energieeffizienz nachgewiesen haben, wollen die Forscher die Leistung magnetischer Van-Der-Waals-Materialien weiter steigern. „Unser nächster Meilenstein ist es, das Schalten ohne externe Magnetfelder zu erreichen. Unser Ziel ist es, unsere Technologie zu verbessern und zu vergrößern, um die Vielseitigkeit der Van-Der-Waals-Magnete für kommerzielle Anwendungen nutzbar zu machen“, sagte Sarkar. Diese Forschungsarbeit wurde zum Teil mithilfe der Einrichtungen des MIT.Nano und des Harvard University Center for Nanoscale Systems durchgeführt. (sb)

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