Novos materiais quânticos podem levar os dispositivos computacionais para além da era dos semicondutores – atualizações científicas atualizam o fator de impacto da artrite e da reumatologia

Cristais simples do material multiferróico bismuto-óxido de ferro. Os átomos de bismuto (azul) formam uma rede cúbica com átomos de oxigênio (amarelo) em cada face do cubo e um átomo de ferro (cinza) próximo ao centro. O ferro um pouco fora do centro interage com o oxigênio para formar um dipolo elétrico (P), que é acoplado aos spins magnéticos dos átomos (M), de modo que inverter o dipolo com um campo elétrico (E) também vira o momento magnético. Os spins magnéticos coletivos dos átomos no material codificam os bits binários 0 e 1 e permitem o armazenamento de informações e operações lógicas.

Em um papel aparecendo online dec. 3 antes da publicação na revista Nature, os pesquisadores propõem uma maneira de transformar tipos relativamente novos de materiais, materiais multiferróicos e topológicos, em dispositivos lógicos e de memória que serão 10 a 100 vezes mais eficientes em termos energéticos do que as melhorias previsíveis aos microprocessadores atuais. , que são baseados em CMOS (metal-óxido-semicondutor complementar).

Os novos dispositivos impulsionarão tecnologias que exigem intenso poder de computação com baixo consumo de energia, especificamente carros e drones autônomos altamente automatizados, ambos exigindo um número cada vez maior de operações de computador por segundo. “À medida que a CMOS se desenvolve em sua maturidade, basicamente teremos opções tecnológicas muito poderosas que nos ajudarão a superar. De certa forma, isso poderia continuar melhorando a computação para outra geração inteira de pessoas ”, disse o autor principal, sasikanth manipatruni, que lidera o desenvolvimento de hardware para o projeto MESO no grupo de pesquisa de componentes da intel em hillsboro, Oregon. O MESO foi inventado por cientistas da Intel e o manipatruni projetou o primeiro dispositivo MESO.

Nos novos dispositivos MESO, os bits binários são os estados de spin magnético para cima e para baixo em um multiferroico, um material criado pela primeira vez em 2001 por Ramamoorthy Ramesh, um professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley e um autor sênior de o papel. “A descoberta foi que existem materiais onde você pode aplicar uma voltagem e alterar a ordem magnética do multiferroico”, disse ramesh, que também é um cientista do Lawrence Berkeley National Laboratory. “Mas para mim, ‘o que faríamos com esses multiferroicos?’ Sempre foi uma grande questão. A MESO preenche essa lacuna e fornece um caminho para a computação evoluir ”

No artigo sobre a natureza, os pesquisadores relatam que reduziram a voltagem necessária para a comutação magneto-elétrica multiferróica de 3 volts para 500 milivolts, e prevêem que seja possível reduzi-la para 100 milivolts: um quinto a um décimo dessa tensão. exigido pelos transistores CMOS em uso hoje. Baixa tensão significa menor uso de energia: a energia total para mudar um pouco de 1 para 0 seria de um décimo a um trigésimo da energia requerida pelo CMOS.

“Várias técnicas críticas precisam ser desenvolvidas para permitir esses novos tipos de dispositivos e arquiteturas de computação”, disse o manipatruni, que combinou as funções de materiais magnetoelétricos e spin-órbita para propor o MESO. “Estamos tentando desencadear uma onda de inovação na indústria e na academia sobre como a próxima opção do tipo transistor deve ser.”

A necessidade de computadores com maior eficiência energética é urgente. O departamento de projetos de energia que, com a indústria de chips de computadores deve se expandir para vários trilhões de dólares nas próximas décadas, o uso de energia por computadores pode disparar de 3% de todo o consumo de energia dos EUA para 20%, quase tanto quanto o transporte de hoje setor. Sem transistores mais eficientes em termos energéticos, a incorporação de computadores em tudo – muito – seria dificultada. E sem uma nova ciência e tecnologia, disse Ramesh, a liderança da América na fabricação de chips para computadores pode ser ofuscada por fabricantes de semicondutores em outros países.

“Por causa do aprendizado de máquina, inteligência artificial e IOT, o futuro lar, o futuro carro, a futura capacidade de fabricação será muito diferente”, disse ramesh, que até recentemente era o diretor associado de tecnologias energéticas do laboratório de Berkeley. “Se usarmos as tecnologias existentes e não fizermos mais descobertas, o consumo de energia será grande. Precisamos de novos avanços científicos. ”

Co-autoria de papel jovem, um doutorado de UC berkeley, iniciou um grupo de intel oito anos atrás, juntamente com manipatruni e dmitri nikonov, para investigar alternativas aos transistores, e cinco anos atrás eles começaram a focalizar em multiferroics e spin-órbita materiais, os chamados materiais “topológicos” com propriedades quânticas únicas. “Nossa análise nos levou a esse tipo de material, magnetoeletrônicos e todas as estradas levaram à ramesh”, disse o manipatruni.

Multiferroicos são materiais cujos átomos exibem mais de um “estado coletivo” em ferromagnetos, por exemplo, os momentos magnéticos de todos os átomos de ferro no material são alinhados para gerar um ímã permanente. Em materiais ferroelétricos, por outro lado, as cargas positivas e negativas dos átomos são compensadas, criando dipolos elétricos que se alinham ao longo do material e criam um momento elétrico permanente.

O MESO é baseado em um material multiferróico que consiste em bismuto, ferro e oxigênio (bifeo3) que é magnético e ferroelétrico. Sua principal vantagem, diz ramesh, é que esses dois estados – magnético e ferroelétrico – estão ligados ou acoplados, de modo que mudar um afeta o outro. Ao manipular o campo elétrico, você pode alterar o estado magnético, que é crítico para o MESO.

O principal avanço veio com o rápido desenvolvimento de materiais topológicos com efeito spin-órbita, que permitem que o estado do multiferróico seja lido com eficiência. Nos dispositivos MESO, um campo elétrico altera ou inverte o campo elétrico do dipolo através do material, o que altera ou inverte os spins eletrônicos que geram o campo magnético. Essa capacidade vem do acoplamento spin-órbita, um efeito quântico nos materiais, que produz uma corrente determinada pela direção do spin do elétron.