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Jul 26, 2023

Neue Methode zum Lesen von Daten in Antiferromagneten ermöglicht deren Verwendung als Computerspeicher

14. August 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

14. August 2023

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von der Nanyang Technological University, Nanyang Technological University

Wissenschaftler unter der Leitung der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapore) haben einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung alternativer Materialien für Hochgeschwindigkeits-Speicherchips erzielt, die Computern einen schnellen Zugriff auf Informationen ermöglichen und die Einschränkungen bestehender Materialien umgehen.

Sie haben einen Weg gefunden, der es ihnen ermöglicht, bisher schwer lesbare Daten, die in diesen alternativen Materialien, sogenannten Antiferromagneten, gespeichert sind, zu verstehen.

Forscher betrachten Antiferromagnete als attraktive Materialien für die Herstellung von Computerspeicherchips, da sie potenziell energieeffizienter sind als herkömmliche Materialien aus Silizium. Speicherchips aus Antiferromagneten unterliegen weder den Größen- und Geschwindigkeitsbeschränkungen noch den Korruptionsproblemen, die bei Chips aus bestimmten magnetischen Materialien auftreten.

Computerdaten werden als Code gespeichert, der aus einer Folge von Einsen und Nullen besteht. Derzeit gibt es Methoden, Daten auf Antiferromagnete zu „schreiben“, indem man sie so konfiguriert, dass sie entweder die Zahl 1 oder 0 darstellen können.

Allerdings erwies sich das „Auslesen“ dieser Daten von Antiferromagneten für Forscher als schwierig, da es in der Vergangenheit keine praktischen Methoden gab, mit denen man herausfinden konnte, mit welcher Nummer die Materialien codiert waren.

Jetzt haben Wissenschaftler unter der Leitung von außerordentlichem Professor Gao Weibo von der School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS) der NTU eine Lösung gefunden.

Ergebnisse ihrer Experimente, die im Juni 2023 online in Nature veröffentlicht wurden, zeigten, dass bei extrem niedrigen Temperaturen nahe der Kälte des Weltraums eine einzigartige Spannung an ihnen gemessen wurde, wenn sie einen Strom durch Antiferromagnete leiteten.

Je nachdem, ob diese Spannung positiv oder negativ war, konnten die Wissenschaftler herausfinden, ob die Antiferromagnete mit 1 oder 0 kodiert waren. Dadurch konnten dann die in den Materialien gespeicherten Daten ausgelesen werden.

„Unsere Entdeckung bietet eine einfache Möglichkeit, in Antiferromagneten gespeicherte Daten zu lesen, indem sie die beiden Zustände unterscheiden kann, die die Materialien annehmen können“, sagte Assoc-Professor Gao. „Die Ergebnisse treiben die Forschung zur künftigen Verwendung von Antiferromagneten für Computerspeicher voran.“

Chips für Computerspeicher, auch Random-Access-Memory (RAM) genannt, werden für den schnellen Zugriff auf Daten verwendet, beispielsweise zum Öffnen von Software und zum Bearbeiten von Dokumenten in Computern.

Es wird erwartet, dass Speicherchips aus Antiferromagneten Daten schneller speichern und ändern als Speicherchips aus magnetischen Materialien, sogenannten Ferromagneten, da sie etwa 100-mal schneller zwischen den Zuständen 1 und 0 wechseln können. Dies ist nützlich für ressourcenintensive Rechenaufgaben.

Forscher des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften, des japanischen Nationalinstituts für Materialwissenschaften und der chinesischen Chongqing-Universität trugen ebenfalls zu der von der NTU geleiteten Studie bei.

Die Forschungsergebnisse veranschaulichen einen Schwerpunkt des NTU-Strategieplans 2025 auf interdisziplinärer Forschung mit erheblicher intellektueller und gesellschaftlicher Wirkung.

Computerspeicher bestehen traditionell aus Silizium-Mikrochips. Doch in den letzten Jahrzehnten haben Forscher versucht, magnetische Materialien, sogenannte Ferromagnete, aus Kobalt-Eisen-Legierungen für Speicherchips zu verwenden, die heute in der künstlichen Intelligenz und in Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden. Dies liegt unter anderem daran, dass ferromagnetische Chips energieeffizienter sind als Siliziumchips.

Speicherchips nutzen die inneren Eigenschaften von Ferromagneten zum Speichern von Daten. Ferromagnete enthalten aufgrund des Verhaltens ihrer Elektronen „Minimagnete“. Wenn diese Minimagnete auf eine bestimmte Weise ausgerichtet sind, befinden sich die Materialien in einem Zustand, der 1 darstellen kann. Eine andere Ausrichtung der Minimagnete führt zu einem Zustand, der 0 darstellt.

Wenn ferromagnetische Chips jedoch Magnetfeldern ausgesetzt werden, beispielsweise von Stromleitungen oder Industrieanlagen mit Elektromagneten, können diese intrinsischen Eigenschaften – die Ausrichtung der Minimagnete – gestört werden und so die gespeicherten Daten verfälschen oder zerstören.

Während dieses Problem durch die Abschirmung der Chips gelöst werden kann, erzeugen Ferromagnete auch selbst Magnetfelder, die die inneren Eigenschaften anderer Ferromagnete in der Nähe stören können.

Antiferromagnete können diese Probleme überwinden, da sie keine Magnetfelder erzeugen, da sich ihre inneren Eigenschaften aufgrund der Ausrichtung ihrer Minimagnete geringfügig von denen von Ferromagneten unterscheiden.

Dies bedeutet auch, dass sie durch die Anwesenheit anderer Magnete nicht gestört werden und mehr Antiferromagnete auf dem gleichen Raum untergebracht werden können als Ferromagnete, wodurch die Speicherkapazität erhöht wird.

Obwohl Möglichkeiten gefunden wurden, die Antiferromagnete so zu konfigurieren, dass sie Daten als Einsen und Nullen kodieren, war das Lesen dieser Informationen schwierig, da es keine praktischen Methoden gab, mit denen man unterscheiden konnte, in welchem ​​Zustand sich die Materialien befanden.

Bei der Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines neuen antiferromagnetischen Materials namens Mangan-Wismut-Tellurid stieß das Team von Assoc Prof. Gao auf eine Beobachtung, die das Datenleseproblem löste.

In ihren Experimenten ließen die Wissenschaftler einen Wechselstrom durch ein sehr kleines Gerät von der Größe eines Regentropfens bestehend aus Mangan-Wismut-Tellurid-Kristallflocken bei extrem niedrigen Temperaturen von etwa 5° Kelvin oder -268° Celsius leiten, was der Kälte des Weltraums nahekommt.

Überraschenderweise fanden die Forscher ein einzigartiges Spannungssignal an den Kristallen mit einer Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die des Wechselstroms. Wenn beispielsweise ein Strom von 10 Mikroampere bei einer Frequenz von 100 Hertz fließt, entsteht eine Spannung von 0,2 Millivolt bei einer Frequenz von 200 Hertz. Die Wissenschaftler hatten erwartet, dass die Frequenzen von Spannung und Strom gleich sind.

Sie fanden auch heraus, dass sich das Vorzeichen der Spannung je nach Konfiguration des antiferromagnetischen Mangan-Wismut-Tellurids ändern würde.

Wenn die Spannung positiv war, bedeutete dies, dass sich der Antiferromagnet in einem Zustand von 0 befand. Wenn die Spannung negativ war, befand sich das Material in einem Zustand von 1. Diese Beobachtung löst das Problem, dass in Antiferromagneten gespeicherte Informationen nicht einfach gelesen werden können.

Die Wissenschaftler glauben, dass andere Antiferromagnete ein ähnliches Verhalten zeigen werden und ihr nächster Schritt wird darin bestehen, solche Materialien zu testen, die Daten bei Raumtemperatur kodieren können.

Die Forscher sagten, dass die einzigartige Spannung aus den elektronischen Eigenschaften der Mangan-Wismut-Tellurid-Kristalle resultiert, die als Quantenmetrik bezeichnet werden. Die Eigenschaften wurden bis vor kurzem nicht experimentell beobachtet. Diese neueste Erkenntnis weist den Weg für weitere Untersuchungen von Systemen, in denen solche Eigenschaften von Bedeutung sind und die durch die Quantenmechanik erklärt werden, die Untersuchung des Verhaltens von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene.

Einer der unabhängigen und anonymen Gutachter des Papiers schrieb, dass die Experimente der Gruppe „das durch die Quantenmetrik verursachte Transportphänomen entdecken, das für die Topologiephysik von Bedeutung ist“, und fügte hinzu, dass die „experimentellen Ergebnisse solide und überzeugend“ seien.

Die von der NTU geleiteten Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass es neben der unerwarteten Spannung, die sie entdeckten, eine weitere Spannung gab, die von einem Gleichstrom herrührte, der durch den durch die Mangan-Wismut-Tellurid-Kristalle fließenden Wechselstrom induziert wurde. Sie fanden beispielsweise heraus, dass ein Wechselstrom von 10 Mikroampere eine Spannung von 0,3 Millivolt erzeugen würde, die mit dem Gleichstrom verknüpft war.

Die Entdeckung legt nahe, dass drahtlose Energie, wie sie von Wi-Fi und Mobilfunksignalen stammt, dazu führen könnte, dass Antiferromagnete Strom erzeugen, der eines Tages möglicherweise für die Stromversorgung tragbarer elektronischer Geräte genutzt werden könnte.

Assoc Prof. Gao sagte, sein Team plane weitere Forschungen, um die Energiemenge zu erhöhen, die auf diese Weise gewonnen werden könnte.

Mehr Informationen: Naizhou Wang et al., Quantenmetrisch induzierter nichtlinearer Transport in einem topologischen Antiferromagneten, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06363-3

Zeitschrifteninformationen:Natur

Bereitgestellt von der Nanyang Technological University