Ilustrasi ini menunjukkan arus listrik dipompa ke platina (lempengan bawah), yang menghasilkan terciptanya arus putaran elektron yang mengubah keadaan magnet feromagnet 2D di atas. Bola berwarna mewakili atom dalam material 2D. Kredit: Atas perkenan para peneliti
Sebuah DENGAN Tim secara tepat mengendalikan magnet ultra tipis pada suhu kamar, yang memungkinkan prosesor dan memori komputer lebih cepat dan efisien.
Memori dan prosesor komputer eksperimental yang dibuat dari bahan magnetik menggunakan energi yang jauh lebih sedikit dibandingkan perangkat berbasis silikon tradisional. Bahan magnetik dua dimensi, terdiri dari lapisan yang tebalnya hanya beberapa atom, memiliki sifat luar biasa yang memungkinkan perangkat berbasis magnet mencapai kecepatan, efisiensi, dan skalabilitas yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Meskipun banyak rintangan yang harus diatasi hingga bahan magnetik van der Waals ini dapat diintegrasikan ke dalam komputer yang berfungsi, para peneliti MIT mengambil langkah penting ke arah ini dengan menunjukkan kontrol yang tepat dari magnet van der Waals pada suhu kamar.
Ini adalah kuncinya, karena magnet yang terdiri dari bahan van der Waals yang atomnya tipis biasanya hanya dapat dikontrol pada suhu yang sangat dingin, sehingga sulit untuk dipasang di luar laboratorium.
Para peneliti menggunakan gelombang arus listrik untuk mengubah arah magnetisasi perangkat pada suhu kamar. Peralihan magnetik dapat digunakan dalam komputasi, sama seperti transistor beralih antara terbuka dan tertutup untuk mewakili 0 dan 1 dalam kode biner, atau dalam memori komputer, di mana peralihan memungkinkan penyimpanan data.
Tim tersebut menembakkan semburan elektron ke magnet yang terbuat dari bahan baru yang dapat mempertahankan daya tariknya pada suhu yang lebih tinggi. Eksperimen ini memanfaatkan sifat dasar elektron yang dikenal sebagai spin, yang membuat elektron berperilaku seperti magnet kecil. Dengan memanipulasi putaran elektron yang mengenai perangkat, para peneliti dapat mengubah magnetisasinya.
Di masa depan, magnet semacam itu dapat digunakan untuk membangun komputer yang lebih cepat dan mengonsumsi lebih sedikit listrik. Hal ini juga dapat mengaktifkan memori komputer magnetik yang bersifat nonvolatile, yang berarti memori tersebut tidak membocorkan informasi saat dimatikan, atau prosesor yang membuat algoritme AI yang kompleks menjadi lebih hemat energi.
“Ada banyak kelembaman dalam upaya memperbaiki material yang telah bekerja dengan baik di masa lalu. Namun kami telah menunjukkan bahwa jika Anda melakukan perubahan radikal, dimulai dengan memikirkan kembali bahan yang Anda gunakan, Anda berpotensi mendapatkan solusi yang lebih baik,” kata Shivam Kajale, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Sarkar dan salah satu penulis utama makalah ini.
Kajale dan Sarkar bergabung dalam makalah ini dengan rekan penulis utama Thanh Nguyen, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Sains dan Teknik Nuklir (NSE); Corson Chao, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu dan Teknik Material (DSME); David Bono, seorang ilmuwan riset DSME; Artittaya Boonkird, seorang mahasiswa pascasarjana NSE; dan Mingda Li, profesor ilmu dan teknik nuklir. Penelitian ini dipublikasikan baru-baru ini di Komunikasi Alam.
Keuntungan yang sangat tipis
Metode untuk membuat chip komputer kecil di ruangan yang bersih dari bahan berukuran besar seperti silikon dapat menghambat perangkat. Misalnya, lapisan material mungkin hanya setebal 1 nanometer, sehingga titik kasar yang sangat kecil pada permukaan dapat cukup parah sehingga menurunkan kinerja.
Sebaliknya, bahan magnetik van der Waals secara intrinsik berlapis dan terstruktur sedemikian rupa sehingga permukaannya tetap halus sempurna, bahkan ketika para peneliti mengupas lapisan tersebut untuk membuat perangkat yang lebih tipis. Selain itu, atom dalam satu lapisan tidak akan bocor ke lapisan lain, sehingga memungkinkan material mempertahankan sifat uniknya saat ditumpuk di dalam perangkat.
“Dalam hal penskalaan dan menjadikan perangkat magnetis ini kompetitif untuk aplikasi komersial, material van der Waals adalah pilihan yang tepat,” kata Kajale.
Tapi ada batasannya. Bahan magnetik kelas baru ini biasanya hanya dioperasikan pada suhu di bawah 60 kelvin (-351 derajat Fahrenheit). Untuk membangun prosesor atau memori komputer yang bersifat magnetis, peneliti perlu menggunakan arus listrik untuk mengoperasikan magnet pada suhu kamar.
Untuk mencapai hal ini, tim fokus pada bahan baru yang disebut besi galium tellurida. Bahan yang atomnya tipis ini memiliki semua sifat yang diperlukan untuk magnetisme suhu ruangan yang efektif dan tidak mengandung unsur tanah jarang, yang tidak diinginkan karena mengekstraksinya akan sangat merusak lingkungan.
Nguyen dengan hati-hati menumbuhkan kristal massal dari bahan 2D ini menggunakan teknik khusus. Kemudian Kajale membuat perangkat magnet dua lapis dengan menggunakan skala nano serpihan besi galium telurida di bawah lapisan platina berukuran enam nanometer.
Dengan perangkat kecil di tangan, mereka menggunakan sifat intrinsik elektron yang dikenal sebagai spin untuk mengalihkan magnetisasinya pada suhu kamar.
Elektron ping-pong
Meskipun elektron secara teknis tidak “berputar” seperti gasing, mereka memiliki momentum sudut yang sama. Putaran itu ada arahnya, bisa naik atau turun. Para peneliti dapat memanfaatkan properti yang dikenal sebagai kopling spin-orbit untuk mengontrol putaran elektron yang ditembakkan ke magnet.
Dengan cara yang sama momentum ditransfer ketika satu bola mengenai bola lainnya, elektron akan mentransfer “momentum putaran” mereka ke bahan magnet 2D ketika mereka menumbuknya. Bergantung pada arah putarannya, transfer momentum tersebut dapat membalikkan magnetisasi.
Dalam arti tertentu, transfer ini memutar magnetisasi dari atas ke bawah (atau sebaliknya), sehingga disebut “torsi”, seperti peralihan torsi putaran-orbit. Pemberian pulsa listrik negatif menyebabkan magnetisasi turun, sedangkan pulsa positif menyebabkan magnetisasi naik.
Para peneliti dapat melakukan peralihan ini pada suhu kamar karena dua alasan: sifat khusus besi galium telurida dan fakta bahwa teknik mereka menggunakan sejumlah kecil arus listrik. Memompa terlalu banyak arus ke perangkat akan menyebabkan perangkat menjadi terlalu panas dan mengalami kerusakan magnet.
Tim menghadapi banyak tantangan selama dua tahun untuk mencapai pencapaian ini, kata Kajale. Menemukan bahan magnet yang tepat hanyalah setengah dari perjuangan. Karena besi galium telurida teroksidasi dengan cepat, fabrikasi harus dilakukan di dalam kotak sarung tangan yang berisi nitrogen.
“Perangkat ini hanya terkena udara selama 10 atau 15 detik, namun setelah itu saya harus melakukan tahap memolesnya untuk menghilangkan oksida apa pun,” katanya.
Kini setelah mereka menunjukkan peralihan suhu ruangan dan efisiensi energi yang lebih besar, para peneliti berencana untuk terus meningkatkan kinerja bahan magnetik van der Waals.
“Pencapaian kami berikutnya adalah mencapai peralihan tanpa memerlukan medan magnet eksternal. Tujuan kami adalah untuk meningkatkan teknologi kami dan meningkatkan keserbagunaan magnet van der Waals untuk aplikasi komersial,” kata Sarkar.
Referensi: “Peralihan feromagnet van der Waals yang diinduksi arus pada suhu kamar” oleh Shivam N. Kajale, Thanh Nguyen, Corson A. Chao, David C. Bono, Artittaya Boonkird, Mingda Li dan Deblina Sarkar, 19 Februari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-45586-4
Pekerjaan ini dilakukan, sebagian, dengan menggunakan fasilitas di MIT.Nano dan Pusat Sistem Skala Nano Universitas Harvard.
