Naukowcy z Brown University znaleźli sposób na pokonanie przeszkody, która od lat blokowała wykorzystanie multiferroików w układach scalonych. Opracowana przez nich metoda pozwala wytwarzać warstwy o grubości zaledwie kilku angstremów bez utraty właściwości elektrycznych i magnetycznych. To krok w stronę pamięci i układów logicznych, które potrzebują znacznie mniej prądu.

Na czym polegał problem „martwej warstwy”

Multiferroiki to materiały, w których właściwości elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane. Dzięki temu można je sterować bardzo małym napięciem. Po przyłożeniu go odwraca się polaryzacja elektryczna materiału, czyli położenie ładunków dodatnich i ujemnych. W ten sposób można zapisać jedynkę lub zero, zużywając przy tym niewiele energii. Ponieważ magnetyzm materiału zależy od tej polaryzacji, zapisaną informację da się potem odczytać magnetycznie.

Kłopot w tym, że do współczesnych chipów potrzebne są warstwy ekstremalnie cienkie, a multiferroiki przy takich rozmiarach przestają działać. Badacze nazywają to efektem „martwej warstwy”. Składają się na niego dwa zjawiska: struktura atomowa materiału ulega zniekształceniu, a wewnętrzne pola elektryczne zakłócają polaryzację, aż ta nie może się utrzymać.

Jak zespół z Brown University to obszedł

Badacze pracowali z ferrytem bizmutu, jednym z najczęściej badanych multiferroików. Nałożyli go na podłoże ze skandanu dysprozu, związku opartego na pierwiastkach ziem rzadkich. Jego sieć krystaliczna jest nieco mniejsza niż w ferrycie bizmutu. Ta różnica ściska warstwę i pomaga zachować strukturę atomową potrzebną do działania materiału.

Drugim elementem była dodatkowa warstwa metaliczna, która przeciwdziała niepożądanym polom elektrycznym. Razem oba zabiegi sprawiły, że ferrytowi bizmutu udało się zachować właściwości multiferroiczne nawet przy grubości kilku angstremów.

Zespół zauważył też coś, czego się nie spodziewał: materiał wykazał altermagnetyzm. To rzadka forma magnetyzmu, łącząca zalety ferromagnetyzmu i antyferromagnetyzmu. Prof. Lucas Caretta, który kierował badaniami, wyjaśnia różnicę tak:

• ferromagnetyki dają silny, łatwy do odczytu sygnał, ale są stosunkowo wolne, a ich rozproszone pola magnetyczne utrudniają gęste upakowanie elementów w chipie;
• antyferromagnetyki działają znacznie szybciej i nie mają rozproszonych pól, ale ich sygnał trudno wykryć;
• altermagnetyki mogą być szybkie, gęsto upakowane i jednocześnie dawać mocny sygnał elektryczny do odczytu.

Jak podsumował Caretta: „Wiemy, że te właściwości istnieją już w materiałach objętościowych, a sztuka polega na tym, by zaprojektować je w użytecznej formie”.

Co to oznacza dla AI i dla czytelnika w Polsce

Zapotrzebowanie na moc obliczeniową rośnie wraz z rozwojem sztucznej inteligencji, więc sprzęt zużywający mniej prądu staje się coraz ważniejszym celem. Autorzy badania zaznaczają jednak, że technologia wymaga dalszych prac, zanim trafi do komercyjnych układów. To wynik laboratoryjny, a nie gotowy produkt.

Dla polskiego użytkownika oznacza to na razie niewiele wprost: nie kupimy takiego chipa w najbliższych latach. Kierunek badań ma jednak znaczenie szersze. Jeśli podobne rozwiązania kiedyś dojdą do produkcji, mogłyby obniżyć rachunki za energię w centrach danych i zmniejszyć obciążenie sieci energetycznych, także w Europie, gdzie koszt prądu i jego wpływ na środowisko są stale w centrum dyskusji. Warto traktować to jako zapowiedź możliwego kierunku rozwoju elektroniki, a nie obietnicę szybkiej zmiany.

Badania opublikowano w czasopiśmie „Nature Materials”, a sfinansowały je m.in. amerykańskie Biuro Badań Armii, Narodowa Fundacja Nauki i Departament Energii.

Źródło: ScienceDaily – „A breakthrough in magnetism could make AI chips use dramatically less energy”