Styring av elektronikk gjennom fotoeksitasjon – Vil magnetitt introdusere neste generasjons enheter?

Potensialet for spintronikk

Elektroniske komponenter som transistorer er tradisjonelt laget av silisium og er avhengige av halvledere. 0- og 1-signalene i binær indikerer henholdsvis passering eller blokkering av en elektrisk strøm. En alternativ måte å utføre beregning på er spintronikk‑enheter som opererer på elektronspinn (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for elektrisk strøm (flyt av elektroner).

Spintronikk har noen fordeler over klassiske elektroniske systemer, notably:

• Raskere data, siden spinn kan endres mye raskere.
• Lavere energiforbruk, siden spinn kan endres med mindre kraft enn det som kreves for å opprettholde en strøm av elektroner for å skape en strøm.
• Enkle metaller kan brukes i stedet for komplekse halvledermaterialer.

Spintronikk brukes spesielt i harddisker og har gjort det mulig for lagringskapasiteten å vokse de siste tiårene.

Et materiale som allerede brukes i spintronikk er magnetitt, et naturlig forekommende mineral bestående av oksygen og to former for jern med ulike oksidasjonsnivåer.

Kilde: Britannica

Til tross for at magnetitt har vært kjent for sine magnetiske egenskaper i flere tiår, ser det ut til at det fortsatt er mer som kan læres om det.

Forskere fra EPFL i Sveits har oppdaget at lasere kan skape nye faseendringer i magnetitt som tidligere var ukjente. Dette kan igjen føre til en ny generasjon av elektronisk utstyr.

De skjulte egenskapene til magnetitt

Forskerne fokuserte på magnetitt på grunn av dens metall‑til‑isolator‑egenskaper, som gjør at den kan gå fra å lede elektrisitet til å blokkere den. Dette er også kjent som en faseovergang, hvor egenskapene til et materiale plutselig endres fra ett stadium til et annet, litt som hvordan flytende vann kan bli til is, med svært forskjellige egenskaper.

Ved å bruke to forskjellige typer lasere, en som sender ut lys på 800 nm og en på 400 nm (infrarødt og synlig lys), oppdaget de at nye faser dukket opp i magnetitt som ikke hadde blitt identifisert før nå.

Dette er ikke en triviel sak, da forskerne måtte oppdage endringer som skjedde i en uendelig kort tidsperiode. For å gjøre dette brukte de en teknikk kalt Ultrafast Electron Diffraction (UED), som gjorde dem i stand til å observere atombevegelser som varte mindre enn et pikosekund eller en billiondel av et sekund.

Endring av romlig konfigurasjon

Vanligvis er magnetittens atomstruktur en «monoklinisk gitter», hvor enhetscellen er formet som en skjev boks med tre ulikt lange kanter. To av vinklene er 90 grader, mens den tredje er annerledes.

Kilde: ACS

800 nm-lyset får magnetittens atomstruktur til å komprimeres, og gjør den om til en kubisk struktur. Den ultra‑raske observasjonen viste forskerne at dette skjedde gjennom en 3‑trinns prosess.

400 nm-lyset derimot fikk metallens atomstruktur til å utvide seg, og skapte en svært stabil konfigurasjon, noe som gjør den til en svært stabil isolator.

Denne konfigurasjonen er forskjellig fra den tidligere kjente stabile likevekten til magnetitt og gir dyp innsikt i hva som faktisk skjer under metall‑til‑isolator‑overgangen.

Nye elektroniske systemer

Denne oppdagelsen betyr at det er mulig å endre effekten på spinn og strøm i magnetitt kun med lys fra lasere.

Takket være svært raske lasersystemer kan fotonpulser raskt endre metallmaterialets natur på en kontrollert måte.

«Studien vår baner vei for en ny tilnærming til å kontrollere materie på ultrarask tidsskala ved bruk av skreddersydde fotonpulser.

Å kunne indusere og kontrollere skjulte faser i magnetitt kan ha betydelige implikasjoner for utviklingen av avanserte materialer og enheter.

For eksempel kan materialer som kan skifte mellom ulike elektroniske tilstander raskt og effektivt, brukes i neste generasjons databehandling og minneenheter.

Bedre minne

Spintronikk og magnetitt er nye fronter for produsenter av elektroniske systemer. Det som startet i en harddisk, utvides nå til andre minnesystemer.

For eksempel kan tilfeldig tilgangsminne (DRAM) erstattes med magnetisk RAM (MRAM). Den første versjonen av dette konseptet er allerede et kommersialisert produkt fra Everspin og har blitt brukt i Airbus-fly, takket være sin motstand mot temperaturendringer samt kosmisk stråling sammenlignet med tradisjonelle minnesystemer.

En annen fordel med MRAM er dens mindre størrelse og lavere strømforbruk, noe som betyr opptil 80 % mindre energibehov. Dette kan gjøre det mulig å integrere MRAM som cache‑minne i prosessorer med større total kapasitet, samtidig som den bruker mindre strøm og genererer mindre varme, hvor både plass og varme blir nøkkelbegrensende faktorer i prosessorforbedring.

Fotonikk?

Bruken av laser for å endre magnetittforhold minner om det voksende feltet fotonikk, et av alternativene vi diskuterte i artikkelen vår om selskaper som flytter beregning utover halvleder‑systemer.

Et system som allerede bruker laser og lys for å utføre beregning, kunne ha stor nytte av et minnesystem som er avhengig av magnetittens lysinduserte faseendring. Dette kan potensielt tillate at beregningsresultatet konverteres direkte til data med lite mellomliggende trinn som forbruker strøm og bremser prosessen. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 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