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研究开辟了通向超低功耗微芯片的途径

发布时间:2019-02-23 11:34:14 来源:

控制微芯片中磁性的新方法可以为存储器,计算和传感设备打开大门,这些设备比现有版本消耗的功率大大减少。该方法还可以克服迄今为止在该领域进展缓慢的一些固有的物理限制。

麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的研究人员已经证明,只需施加一个小电压,他们就可以控制薄膜材料的磁性。该团队发现,与今天的标准内存芯片不同,以这种方式制造的磁性方向的变化仍然处于新的状态,而不需要任何持续的功率。

今天在“ 自然材料 ”杂志上发表了这一新发现,Geoffrey Beach是一位材料科学与工程教授,麻省理工学院材料研究实验室联合主任。研究生Aik Jun Tan; 麻省理工学院和布鲁克海文的其他八个人。

旋转医生

随着硅微芯片越来越接近基本的物理极限,这可能限制它们在降低功耗的同时继续提高其功能的能力,研究人员一直在探索可能绕过这些极限的各种新技术。其中一种有前途的替代方案是称为自旋电子学的方法,它利用称为自旋的电子特性而不是电荷。

由于自旋电子器件可以保持其磁性,而不需要硅存储器芯片所需的恒定功率,因此它们需要的功率要小得多。它们还产生更少的热量 - 这是当今设备的另一个主要限制因素。

但是,自旋电子技术受到其自身的限制。缺点最大的成分之一是通过施加电压来轻松快速地控制材料的磁性。世界各地的许多研究小组一直在追求这一挑战。

先前的尝试依赖于金属磁体和绝缘体之间的界面处的电子累积,使用类似于电容器的器件结构。电荷可以改变材料的磁性,但是仅仅是非常小的量,这使得它在实际装置中使用是不切实际的。还尝试使用离子代替电子来改变磁性。例如,氧离子已被用于氧化薄的磁性材料层,导致磁性能的极大变化。然而,氧离子的插入和去除导致材料膨胀和收缩,导致机械损坏,将过程限制为仅重复几次 - 使其对于计算设备基本上无用。

通过使用氢离子代替先前尝试中使用的更大的氧离子,这一新发现展示了一种方法。研究人员说,由于氢离子可以很容易地进出,所以新系统更快,并提供其他显着优势。

因为氢离子非常小,所以它们可以进入和离开自旋电子器件的晶体结构,每次都改变其磁取向,而不会损坏材料。事实上,该团队现已证明,该过程在超过2,000次循环后不会使材料退化。而且,与氧离子不同,氢可以很容易地穿过金属层,这使得团队可以控制无法以任何其他方式控制的设备深层的特性。

“当你向磁铁注入氢气时,磁化会旋转,”Tan说。“实际上你可以通过施加电压将磁化方向切换90度 - 而且它是完全可逆的。” 由于磁体的磁极方向是用于存储信息的方向,这意味着可以使用这种效果在自旋电子设备中容易地写入和擦除数据“位”。

几年前,海滩的实验室发现了通过氧离子控制磁性的原始过程,他说最初的发现释放了一个被称为“磁离子”的新领域的广泛研究,现在这个最新的发现已经“彻底改变了整个领域。 “

基本上,Beach解释说,他和他的团队正在“试图制造一个晶体管的磁性模拟器”,它可以反复打开和关闭,而不会降低其物理特性。

就加水

这一发现部分来自于偶然性。在尝试使用分层磁性材料寻找改变其磁性行为的方法时,Tan发现他的实验结果每天都有很大差异,原因并不明显。最后,通过检查不同测试中的所有条件,他意识到关键的区别在于空气中的湿度:与干燥的天气相比,实验在潮湿的日子里效果更好。他最终意识到,原因是空气中的水分子在材料的带电表面上被分解成氧气和氢气,当氧气逸出到空气中时,氢气被电离并渗透到磁性装置中。 - 并改变其磁性。

该团队生产的设备包括一层薄薄的几层薄膜,包括一层钴层,在那里发生磁性变化,夹在金属层(如钯或铂)和氧化钆覆盖层之间,然后是金层连接到驱动电压。

只需短暂施加电压即可切换磁力,然后保持稳定状态。反转它根本不需要电源,只是将器件短路以电连接其两侧,而传统的存储器芯片需要恒定的功率来维持其状态。“由于你只是在施加脉冲,因此功耗可能会下降,”Beach说。

Beach表示,新设备具有低功耗和高开关速度,最终可能对移动计算等设备特别有用,但工作仍处于早期阶段,需要进一步开发。

“我可以在几年或更短的时间内看到基于实验室的原型,”他说。他说,制作一个完整的工作记忆细胞“非常复杂”,可能需要更长的时间。

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