Nuovi principi di progettazione per materiali quantistici


Nuovi principi di progettazione per materiali quantistici

Gli scienziati dei materiali della Northwestern University hanno sviluppato nuovi principi di progettazione che potrebbero aiutare a stimolare lo sviluppo di futuri materiali quantistici utilizzati per far avanzare i dispositivi (IoT) e altre tecnologie ad alta intensità di risorse limitando i danni ecologici.

Man mano che le nostre vite si intrecciano sempre più con la tecnologia, che si tratti di supportare la comunicazione mentre si lavora in remoto o di trasmettere in streaming il nostro programma preferito, così fa anche la nostra dipendenza dai dati creati da questi dispositivi.

I data center che supportano questi ecosistemi tecnologici producono un'impronta di carbonio significativa e consumano 200 terawattora di energia ogni anno, una quantità superiore al consumo energetico annuale dell'Iran. Per bilanciare le preoccupazioni ecologiche e soddisfare al contempo la domanda crescente, i progressi nei processori microelettronici - la spina dorsale di molti dispositivi Internet of Things (IoT) e data hub - devono essere efficienti e rispettosi dell'ambiente.

«Sono necessari nuovi materiali innovativi e paradigmi informatici per rendere i data center più energeticamente snelli in futuro», ha affermato James Rondinelli, (1) professore di scienza dei materiali e ingegneria e Morris E. Fine Professore in Materials and Manufacturing presso 6la McCormick School of Engineering, che ha guidato la ricerca.

Lo studio, pubblicato su journal Matter, (2) segna un passo importante negli sforzi del dottor Rondinelli per creare nuovi materiali che siano non volatili, efficienti dal punto di vista energetico e generino meno calore: aspetti importanti della futura elettronica ultraveloce e a basso consumo e dei computer quantistici che possono dati.

Piuttosto che alcune classi di semiconduttori che utilizzano la carica dell'elettrone nei transistor per alimentare il calcolo, i materiali basati sullo spin a stato solido utilizzano lo spin dell'elettrone e hanno il potenziale per supportare dispositivi di memoria a bassa energia. In particolare, i materiali con una trama di rotazione persistente (PST) di alta qualità possono esibire un'elica di rotazione persistente (PSH) di lunga durata, che può essere utilizzata per tracciare o controllare le informazioni basate sullo spin in un transistor.

Sebbene molti materiali basati sugli spin codifichino già le informazioni utilizzando gli spin, tali informazioni possono essere danneggiate quando gli spin si propagano nella parte attiva del transistor. Il nuovo PST dei ricercatori protegge le informazioni di spin sotto forma di elica, rendendola una potenziale piattaforma in cui operano dispositivi logici e di memoria a bassissima energia e ultraveloci basati su spin.

Il team di ricerca ha utilizzato modelli quantomeccanici e metodi computazionali per sviluppare un framework con lo scopo di identificare e valutare le trame di spin in un gruppo di materiali cristallini non centrosimmetrici. La capacità di controllare e ottimizzare la durata della rotazione e le proprietà di trasporto di questi materiali è fondamentale per realizzare il futuro dei dispositivi microelettronici quantistici che funzionano con un basso consumo energetico.

«La caratteristica limitante del calcolo basato sullo spin è la difficoltà di ottenere spin sia di lunga durata che completamente controllabili da semiconduttori convenzionali e materiali magnetici», ha detto il professor Rondinelli. «Il nostro studio aiuterà i futuri sforzi teorici e sperimentali volti a controllare gli spin in materiali altrimenti non magnetici per soddisfare le future esigenze di ridimensionamento e di economia».

Il framework di Rondinelli ha utilizzato modelli microscopici efficaci e la teoria dei gruppi per identificare tre criteri di progettazione dei materiali che avrebbero prodotto trame di spin utili: densità portante, il numero di elettroni che si propagano attraverso un campo magnetico efficace, anisotropia di Rashba, il rapporto tra i parametri di accoppiamento spin-orbita intrinseci del materiali e occupazione dello spazio di quantità di moto, la regione PST attiva nella struttura della banda elettronica. Queste caratteristiche sono state quindi valutate utilizzando simulazioni quantomeccaniche per scoprire PSH ad alte prestazioni in una gamma di materiali a base di ossido.

I ricercatori hanno utilizzato questi principi e soluzioni numeriche per una serie di equazioni differenziali di diffusione dello spin per valutare la tessitura di rotazione di ciascun materiale e prevedere la durata di rotazione dell'elica nel forte limite di accoppiamento spin-orbita. Hanno anche scoperto di poter regolare e migliorare le prestazioni del PST utilizzando distorsioni atomiche su scala ridotta. Il gruppo ha determinato un materiale PST ottimale, Sr3Hf2O7, che ha mostrato una durata di rotazione sostanzialmente più lunga per l'elica rispetto a qualsiasi materiale precedentemente riportato.

«Il nostro approccio fornisce una strategia chimica agnostica unica per scoprire, identificare e valutare le trame di spin persistenti protette dalla simmetria nei materiali quantistici utilizzando criteri intrinseci ed estrinseci», ha detto Rondinelli. «Abbiamo proposto un modo per espandere il numero di gruppi spaziali che ospitano un PST, che potrebbe fungere da serbatoio da cui progettare futuri materiali PST, e abbiamo trovato un altro uso per gli ossidi ferroelettrici, composti con una polarizzazione elettrica spontanea. Anche il nostro lavoro aiuterà a guidare gli sforzi sperimentali volti a implementare i materiali in strutture di dispositivi reali».

Riferimenti:

(1) James Rondinelli

(2) Discovery Principles and Materials for Symmetry-Protected Persistent Spin Textures with Long Spin Lifetimes

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Design Principles for Spin-based Quantum Materials

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