Redaktör:
Jens Ljunggren
Magnetiskt kvantmaterial skapar ultrasnabba energisnåla datorer
2023-04-17
Saroj Dash, professor på Chalmers
Upptäckten av nya kvantmaterial med magnetiska egenskaper tros öppna för ultrasnabba och betydligt mer energieffektiva datorer och mobila enheter. Hittills har sådana material endast visat sig fungera vid extremt låga temperaturer. Nu har ett forskarlag vid Chalmers tekniska högskola lyckats få ett tvådimensionellt magnetiskt kvantmaterial att fungera vid rumstemperatur.
Den snabba expansionen av informationsteknologier genererar enorma mängder digital data som behöver lagras, bearbetas och kommuniceras. Detta leder till ett ökande behov av energi och förutspås stå för över 30 procent av världens totala energiförbrukning år 2050. Utmaningen har lett till ett paradigmskifte inom materialvetenskapen. Forskning och utveckling inom tvådimensionella kvantmaterial, som bara är några atomer tjocka, har kommit att öppna nya dörrar för utvecklingen av hållbarare, snabbare och mer energieffektiv bearbetning och lagring av data i datorer och mobiler.
Det första atomtunna materialet som isolerades i ett laboratorium var grafen, ett tunt lager av grafit med en enda atoms tjocklek, vilket resulterade i Nobelpriset i fysik 2010. År 2017 upptäcktes tvådimensionella material med magnetiska egenskaper för första gången. Magneter spelar en grundläggande roll i vår vardag, då de bland annat används i sensorer i bilar, hushållsapparater och datorer, och upptäckten banade väg för en mängd nya och mer hållbara teknologier.
– Tvådimensionella magnetiska material är mer hållbara eftersom de är atomiskt tunna och har unika magnetiska egenskaper som möjliggör utvecklingen av nya energieffektiva och ultrasnabba sensorer och avancerade magnetiska minnen och beräkningar. Det gör dem till lovande kandidater för en rad olika tillämpningar, säger Saroj Dash, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers.
Först att demonstrera tvådimensionella magnetbaserade komponenter vid rumstemperatur:
Tidigare har forskare bara kunnat demonstrera tvådimensionella magneter vid extremt låga temperaturer i laboratoriemiljöer, så kallade kryogena temperaturer, något som har stått i vägen för en bredare användning i samhället. Men nu har en grupp forskare vid Chalmers för första gången kunnat demonstrera en komponent baserad på ett nytt tvådimensionellt magnetiskt material vid rumstemperatur. De använde en järnbaserad legering (Fe5GeTe2) med grafen som kan användas som en källa och detektor för spinnpolariserade elektroner*. Genombrottet tros nu möjliggöra en rad tekniska tillämpningar inom industrin såväl som i vår vardag.
– Dessa 2D-magneter kan användas för att utveckla mycket mindre, snabbare och mer energieffektiva minneskomponenter i datorer. De kan också användas för att utveckla extremt känsliga magnetiska sensorer inom exempelvis biomedicin, miljöövervakning, navigering och kommunikation, förklarar Bing Zhao, postdoktoral forskare i kvantkomponentfysik och studiens försteförfattare.
*Konventionella elektroniska logiska komponenter baseras på icke-magnetiska halvledare och använder elektrisk ström för informationsbearbetning och kommunikation. Spinntroniska enheter utnyttjar istället elektronernas spinn för att generera och kontrollera spinnströmmar samt för att konvertera elektriska och magnetiska signaler. Genom att kombinera bearbetning, lagring, sensorer och logik inom en enda integrerad plattform kan spinntronik komplettera och i vissa fall överträffa halvledarelektronik, vilket bland annat resulterar i en lägre energiförbrukning och snabbare databehandling.
Mer om forskningen:
Demonstrationen beskrivs i studien Room Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials. Författarna till studien är Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal och Saroj P. Dash. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Uppsala universitet och Max IV-laboratoriet vid Lunds universitet.
Projektet finansierades av: EU:s Graphene Flagship, Vetenskapsrådet, 2DTECH Vinnova Competence center, Wallenberg Initiative Material Science for Sustainability (WISE) och EU:s FLAG-ERA-projekt.
Den snabba expansionen av informationsteknologier genererar enorma mängder digital data som behöver lagras, bearbetas och kommuniceras. Detta leder till ett ökande behov av energi och förutspås stå för över 30 procent av världens totala energiförbrukning år 2050. Utmaningen har lett till ett paradigmskifte inom materialvetenskapen. Forskning och utveckling inom tvådimensionella kvantmaterial, som bara är några atomer tjocka, har kommit att öppna nya dörrar för utvecklingen av hållbarare, snabbare och mer energieffektiv bearbetning och lagring av data i datorer och mobiler.
Det första atomtunna materialet som isolerades i ett laboratorium var grafen, ett tunt lager av grafit med en enda atoms tjocklek, vilket resulterade i Nobelpriset i fysik 2010. År 2017 upptäcktes tvådimensionella material med magnetiska egenskaper för första gången. Magneter spelar en grundläggande roll i vår vardag, då de bland annat används i sensorer i bilar, hushållsapparater och datorer, och upptäckten banade väg för en mängd nya och mer hållbara teknologier.
– Tvådimensionella magnetiska material är mer hållbara eftersom de är atomiskt tunna och har unika magnetiska egenskaper som möjliggör utvecklingen av nya energieffektiva och ultrasnabba sensorer och avancerade magnetiska minnen och beräkningar. Det gör dem till lovande kandidater för en rad olika tillämpningar, säger Saroj Dash, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers.
Först att demonstrera tvådimensionella magnetbaserade komponenter vid rumstemperatur:
Tidigare har forskare bara kunnat demonstrera tvådimensionella magneter vid extremt låga temperaturer i laboratoriemiljöer, så kallade kryogena temperaturer, något som har stått i vägen för en bredare användning i samhället. Men nu har en grupp forskare vid Chalmers för första gången kunnat demonstrera en komponent baserad på ett nytt tvådimensionellt magnetiskt material vid rumstemperatur. De använde en järnbaserad legering (Fe5GeTe2) med grafen som kan användas som en källa och detektor för spinnpolariserade elektroner*. Genombrottet tros nu möjliggöra en rad tekniska tillämpningar inom industrin såväl som i vår vardag.
– Dessa 2D-magneter kan användas för att utveckla mycket mindre, snabbare och mer energieffektiva minneskomponenter i datorer. De kan också användas för att utveckla extremt känsliga magnetiska sensorer inom exempelvis biomedicin, miljöövervakning, navigering och kommunikation, förklarar Bing Zhao, postdoktoral forskare i kvantkomponentfysik och studiens försteförfattare.
*Konventionella elektroniska logiska komponenter baseras på icke-magnetiska halvledare och använder elektrisk ström för informationsbearbetning och kommunikation. Spinntroniska enheter utnyttjar istället elektronernas spinn för att generera och kontrollera spinnströmmar samt för att konvertera elektriska och magnetiska signaler. Genom att kombinera bearbetning, lagring, sensorer och logik inom en enda integrerad plattform kan spinntronik komplettera och i vissa fall överträffa halvledarelektronik, vilket bland annat resulterar i en lägre energiförbrukning och snabbare databehandling.
Mer om forskningen:
Demonstrationen beskrivs i studien Room Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials. Författarna till studien är Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal och Saroj P. Dash. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Uppsala universitet och Max IV-laboratoriet vid Lunds universitet.
Projektet finansierades av: EU:s Graphene Flagship, Vetenskapsrådet, 2DTECH Vinnova Competence center, Wallenberg Initiative Material Science for Sustainability (WISE) och EU:s FLAG-ERA-projekt.
Källa: Chalmers tekniska högskola
Foto: Chalmers/Oscar Mattsson
Senaste nyheter
-
2022-11-02
Ny svensk forskningsstation för hållbara material från skogenForMAX, en ny, nationell forskningsstation för studier av hållbara material från skogen med hjälp… -
2022-08-26
Blandat avfall blir plast utan klimatpåverkanIdag återvinns en bråkdel av allt material som skulle kunna bli ny plast. Nu har forskare på… -
2021-09-06
Biogasol i pappersproduktionen minskar klimatpåverkan med 90%Duni Groups resa mot fossilfrihet fortsätter när den första leveransen av biogasol anlänt till… -
2021-06-02
I Örnsköldsvik kan du panta din take away-muggSvenskarna är bland de bästa i världen på att panta burkar och flaskor. Varje år pantas över två… -
2020-09-21
Samarbete räddar 200000 ton felsorterade plastförpackningarSvensk Plaståtervinning, som driver Europas största och effektivaste plastsorteringsanläggning, har… -
2020-03-20
ICA sparar 60 ton plast och byter 250 ton till återvunnenICA byter över 200 förpackningar för sitt färska kött. De nya förpackningarna minskar… -
2020-03-16
Clas Ohlson inför pant på plastpåsarSom en del i sitt hållbarhetsarbete inleder Clas Ohlson idag ett samarbete med PantaPå. Det innebär… -
2019-10-28
Svensk pappersproduktion av återvunna kläderI dag finns det ingen aktör i världen som i stor skala kan återvinna fiber med ursprung från… -
2019-04-29
Svenskarna använde 102 plastbärkassar var 2018Årets rapportering visar att vi använde 102 plastbärkassar per person 2018. Det är en minskning med… -
2019-03-09
Världen behöver ett globalt bindande plastavtalÅtta ton plastavfall läcker till miljön och haven varje år. Det har lett till dokumenterade skador…