«Атомные сэндвичи» могут снизить энергопотребление компьютеров в 100 раз
Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Корнелльского университета разработали новый мультиферроик — материал, сочетающий в себе одновременно магнитные и электрические свойства. С его помощью в будущем можно будет создать новое поколение устройств с большей вычислительной мощностью и меньшим потреблением энергии.
Мультиферроиками считаются материалы, которые проявляют хотя бы два из трех свойств: ферромагнетизма (свойство железа при намагничивании сохранять это состояние), ферроэлектризма (возникновение спонтанного дипольного момента) или сегнетоэластизма (спонтанной деформации). Исследователи в своей работе успешно соединили ферромагнетические и ферроэлектрические материалы таким образом, чтобы их расположением можно было управлять с помощью электрического поля при температуре, близкой к комнатной.
Авторы исследования сконструировали гексагональные атомарные пленки оксида лютеция железа (LuFeO3). Материал обладает ярко выраженными ферроэлектрическими и магнетическими свойствами. Он состоит из чередующихся монослоев оксида лютеция и оксида железа. Чтобы создать «атомный сэндвич», ученые обратились к технологии молекулярно-лучевой эпитаксии. Она позволила собрать два разных материала в один, атом за атомом, слой за слоем. Во время сборки было установлено, что если вводить через каждый десяток таких чередований один дополнительный слой оксида железа, то можно полностью изменить свойства материала и получить ярко выраженный магнитный эффект. В работе они использовали 5-вольтовый датчик от атомно-силового микроскопа, чтобы переключать поляризацию ферроэлектриков вверх и вниз, создавая геометрический узор из концентрических квадратов.
Лабораторные тесты показали, что магнетические и электрические атомы можно контролировать с помощью электрического поля. Эксперимент проводили при температуре 200–300 Кельвин (-73 — 26 градусов Цельсия). Все предыдущие разработки работали только при более низких температурах. Мультиферроик, созданный совместными усилиями лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Корнелльского университета — это первый материал, которым можно управлять при температуре, близкой к комнатной. «Вместе с нашим новым материалом сейчас известно всего четыре, которые проявляют свойства мультиферроика при комнатной температуре. Но только в одном из них магнитной поляризацией можно управлять с помощью электрического поля» — отмечает Даррел Шлом, профессор Корнеллского университета, который является одним из главных участников исследования. Это достижение в дальнейшем можно использовать для создания микропроцессоров с низким энергопотреблением, устройств для хранения данных и электроники нового поколения.
В ближайшем будущем ученые планируют исследовать возможности снижения порога напряжения, которое необходимо для изменения направления поляризации. Для этого они собираются проводить эксперименты с различными подложками для создания новых материалов. «Мы хотим показать, что мультиферроик будет работать на половине вольта так же хорошо, как и на пяти» — отмечает Рамамурти Рамеш, заместитель директора национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Кроме этого, они рассчитывают создать действующее устройство на базе мультиферроика в ближайшем будущем.
Для Рамеша это не первое достижение. В 2003 году он и его группа успешно создали тонкую пленку одного из самых известных мультиферроиков — феррита висмута (BiFeO3). Плотные массы феррита висмута являются изоляционным материалом, а пленки, которые можно выделить из него, могут проводить электричество при комнатной температуре. Другое крупное достижение в области создания мультиферроиков также относится к 2003 году. Тогда команда Токура Кемура открыла новый класс этих материалов, в котором магнетизм вызывает ферроэлектрические свойства. Именно эти достижения стали отправной точкой для основных идей в этой области.
Осознание того, что эти материалы имеют большой потенциал для практического применения, привело к чрезвычайно быстрому развитию мультиферроиков. Они требуют намного меньше энергии для чтения и записи данных, чем современные устройства на основе полупроводников. Кроме того, эти данные не превращаются в нуль после отключения питания. Эти свойства позволяют конструировать устройства, которым будет достаточно коротких электрических импульсов вместо постоянного тока, необходимого для современных устройств. По оценкам создателей нового мультиферроика, устройства с использованием этой технологии будут потреблять в 100 раз меньше электроэнергии.
Сегодня около 5% мирового потребления энергии приходится на электронику. Если в ближайшем будущем не достигнуть серьезных достижений в этой области, которые приведут к снижению энергопотребления, этот показатель вырастет до 40–50% уже к 2030 году. По данным Управления энергетической информации США, в 2013 году мировое потребление электроэнергии составило 157,581 ТВтч. В 2015 году наблюдалась стагнация мирового потребления за счет уменьшения роста в Китае и спада в США.
