作者:亚历克斯·杰勒格，西北大学 晶体结构(左)和自旋螺旋的视觉模型(右)
学分:西北大学 随着我们的生活越来越多地与技术交织在一起——无论是在远程工作时支持通信还是播放我们最喜欢的节目——我们对这些设备产生的数据的依赖也是如此
支持这些技术生态系统的数据中心会产生大量的碳足迹，每年消耗200太瓦时的能源，超过伊朗的年能源消耗
为了平衡生态问题并满足日益增长的需求，微电子处理器——许多物联网设备和数据中心的支柱——的进步必须高效且环保
西北大学材料科学家开发了新的设计原则，有助于刺激未来用于先进设备和其他资源密集型技术的量子材料的发展，同时限制生态破坏
材料科学与工程教授詹姆斯·朗迪内利和莫里斯·E
领导这项研究的麦考密克工程学院材料与制造的优秀教授
这项研究标志着朗迪内利努力创造不挥发、节能、发热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，有助于满足世界日益增长的数据需求
固态自旋材料利用电子的自旋来支持低能存储器件，而不是某些种类的半导体利用晶体管中的电子电荷来驱动计算
特别地，具有高质量持久自旋结构(PST)的材料可以表现出长寿命持久自旋螺旋(PSH)，其可以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来编码信息，但是当自旋在晶体管的有源部分中传播时，该信息会被破坏
研究人员的新型PST保护螺旋形式的自旋信息，使其成为超低能量和超快自旋逻辑和存储器件工作的潜在平台
研究小组使用量子力学模型和计算方法开发了一个框架来识别和评估一组非中心对称晶体材料的自旋结构
控制和优化这些材料的自旋寿命和传输特性的能力对于实现以低能耗运行的量子微电子器件的未来至关重要
“基于自旋的计算的限制特征是很难从传统的半导体和磁性材料中获得长寿命和完全可控的自旋，”朗迪内利说
“我们的研究将有助于未来的理论和实验工作，旨在控制非磁性材料的自旋，以满足未来的规模和经济需求
" 朗迪内利的框架使用微观有效模型和群论来确定产生有用自旋结构的三种材料设计标准:载流子密度、通过有效磁场传播的电子数量、拉什巴各向异性、材料的固有自旋轨道耦合参数之间的比率以及动量空间占用(活跃在电子能带结构中的PST区域)
然后利用量子力学模拟来评估这些特性，以发现一系列氧化物基材料中的高性能光子晶体
研究人员使用这些原理和一系列微分自旋扩散方程的数值解来评估每种材料的自旋结构，并预测螺旋在强自旋轨道耦合极限下的自旋寿命
他们还发现，他们可以使用微微量级的原子畸变来调整和提高PST的性能
该小组确定了一种最佳的PST材料Sr3Hf2O7，它显示出比以前报道的任何材料都长得多的螺旋自旋寿命
“我们的方法提供了一种独特的化学不可知的策略，使用内在和外在的标准来发现、识别和评估量子材料中受对称性保护的持久自旋结构，”朗迪内利说
“我们提出了一种方法来扩大托管PST的空间组的数量，这可以作为设计未来PST材料的储库，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
我们的工作还将有助于指导旨在将材料应用于真实器件结构的实验工作
" 9月18日，《物质》杂志在线发表了一篇描述这项工作的论文，题为“长自旋寿命下对称性保护持久自旋结构的发现原理和材料”
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