自旋基量子材料的自旋新设计原理

2022-02-02 21:28:00怀凤浩导读随着我们的生活越来越与技术交织在一起(无论是在远程工作时支持通信还是流式传输我们喜欢的节目)，我们对这些设备创建的基量数据的依赖也越来越

随着我们的生活越来越与技术交织在一起(无论是在远程工作时支持通信还是流式传输我们喜欢的节目)，我们对这些设备创建的材料数据的依赖也越来越大。支持这些技术生态系统的设计数据中心产生了巨大的碳足迹-每年消耗200太瓦小时的能源，超过的原理年度能源消耗。为了平衡生态问题并满足不断增长的自旋需求，微电子处理器(许多物联网(IoT)设备和数据中心的基量骨干)的进步必须高效且环保。

西北大学的材料材料科学家已经开发出新的设计原理，可以在限制生态破坏的设计同时，促进未来用于发展(IoT)设备和其他资源密集型技术的原理量子材料的开发。

材料科学与工程学教授，自旋麦考密克商学院材料与制造专业教授莫里斯·E·精细教授(James Rondinelli)说：“需要新的基量突破性材料和计算范例，以使数据中心在未来更加节能。材料”工程负责人。设计

这项研究标志着隆迪内利(Rondinelli)致力于开发非易失性，原理节能且发热量少的新材料的重要一步，这是未来超快，低功耗电子和量子计算机的重要方面，可以帮助满足世界对数据不断增长的需求。

固态自旋基材料不是利用晶体管中的电子电荷进行功率计算的某些类型的半导体，而是利用电子的自旋并具有支持低能量存储设备的潜力。特别是，具有高质量持久自旋纹理(PST)的材料可以表现出长寿命的持久自旋螺旋(PSH)，可用于跟踪或控制晶体管中基于自旋的信息。

尽管许多基于自旋的材料已经使用自旋对信息进行编码，但是随着自旋在晶体管的有源部分中传播，该信息可能会被破坏。研究人员的新颖PST保护螺旋形式的自旋信息，使其成为超低能量和超快速自旋逻辑和存储设备运行的潜在平台。

该研究团队使用量子力学模型和计算方法来开发一个框架，以识别和评估一组非中心对称晶体材料中的自旋织构。控制和优化这些材料的自旋寿命和传输性能的能力对于实现低能耗量子微电子器件的未来至关重要。

Rondinelli说：“基于自旋的计算的局限性在于难以从传统的半导体和磁性材料中获得长寿命且完全可控的自旋。” “我们的研究将有助于未来的理论和实验工作，旨在控制其他非磁性材料的自旋，以满足未来的规模和经济需求。”

Rondinelli的框架使用微观有效模型和群论确定了三种材料设计标准，这些标准将产生有用的自旋纹理：载流子密度，通过有效磁场传播的电子数，Rashba各向异性，内在自旋轨道耦合参数之间的比率。物质和动量空间的占用，PST区域活跃在电子带结构中。然后使用量子力学模拟对这些特征进行评估，以发现一系列氧化物基材料中的高性能PSH。

研究人员将这些原理和数值解用于一系列微分的自旋扩散方程，以评估每种材料的自旋织构，并预测在强自旋轨道耦合极限中螺旋的自旋寿命。他们还发现，他们可以使用微微尺度的原子畸变来调整和改善PST性能。该小组确定了一种最佳的PST材料Sr3Hf2O7，该材料的螺旋自旋寿命比以前报道的任何材料都更长。

Rondinelli说：“我们的方法提供了一种独特的化学不可知论策略，可以使用内在和外在标准来发现，识别和评估量子材料中受对称保护的持久自旋织构。” “我们提出了一种扩大容纳PST的空间群数量的方法，该空间群可以用作设计未来PST材料的储存库，并发现了铁电氧化物的另一种用途-具有自发极化的化合物。我们的工作还将帮助指导旨在在实际设备结构中实现材料的实验工作。”

一篇描述这项工作的论文，题为“具有长自旋寿命的对称保护的持久自旋纹理的发现原理和材料”，已于9月18日在线发表在《物质》杂志上。