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美国科学家研发“铁镓磁电芯片” 更高效节能的计算设备指日可待

2021年05月17日 14:58 来源:财联社
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(上海,编辑 黄君芝)讯,根据最新研究,让荧光灯发出嗡嗡声的特性可以为新一代更高效的计算设备提供动力,这些计算设备通过磁场而不是电力来存储数据。

据报道,由美国密歇根大学(University of Michigan)研究人员领导的一个团队开发了一种材料——由铁和镓组合而成,它的“磁致伸缩”性能至少是同类材料的两倍,而且成本远低于同类材料。除了计算,它还可以为医疗和安全设备带来更好的磁传感器。

当一种材料的形状和磁场相联系时,就会发生磁致伸缩,也就是说,形状的改变会导致磁场的改变。这一特性可能是被称为磁电的新一代计算设备的关键。磁电芯片可以使从大型数据中心到手机的所有东西都更加节能,大幅降低世界计算基础设施的电力需求。

磁电装置利用磁场代替电力来存储二进制数据中的数字1和0。微小的电脉冲就会使它们稍微膨胀或收缩,并将它们的磁场从正变为负,反之亦然。因此,它们不像现在的芯片那样需要稳定的电流,它们只需要一小部分的能量。

该研究的第一作者、麻省理工学院材料科学与工程教授John Heron表示,“让磁电设备工作的关键是找到电和磁特性相关联的材料。更多的磁致伸缩意味着一个芯片可以用更少的能量做同样的工作。”

据了解,当今大多数磁致伸缩材料都使用稀土元素,而稀土元素过于稀缺和昂贵,无法达到计算设备所需的数量。但是Heron的团队已经找到了一种方法,可以从廉价的铁和镓中“诱导”出高水平的磁致伸缩。

Heron解释说,通常情况下,铁镓合金的磁致伸缩性会随着镓的加入而增加。但是,当更多的镓开始形成一个有序的原子结构时,这些增加会趋于平稳,并最终开始下降。

因此,研究小组使用了一种称为低温分子束外延的工艺,基本上将原子冻结在原地,防止它们在添加更多镓时形成有序结构。通过这种方法,Heron和他的团队能够使材料中的镓含量翻倍,与未修改的铁镓合金相比,其磁致伸缩性增加了10倍。

Heron说,“低温分子束外延是一种非常有用的技术——它有点像用单个原子进行喷漆。而将这种材料‘喷涂’在施加电压时会轻微变形的表面上,也使得测试其磁致伸缩特性变得容易。”

此外,该研究中制造的磁电装置有几微米大小,按计算标准来说是很大的。但研究人员正在与英特尔公司合作,设法将其缩小到更有用的尺寸,以便与该公司的磁电自旋轨道设备(或MESO)计划兼容,其目标之一是将磁电设备推向主流。

Heron说:“英特尔非常擅长规模化生产,在技术的具体细节方面,它能让一项技术在超大规模的电脑芯片上工作。他们对这个项目非常投入,我们会定期与他们会面,以获得反馈和想法,如何提高这项技术,使其在他们称为MESO的计算机芯片上有用。”

虽然使用这种材料的设备可能还需要几十年的时间才能真正问世,但Heron的实验室已经通过密歇根大学技术转让办公室申请了专利保护。该研究成功也于近日被刊登在了知名科学期刊《自然通讯》上。

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