Νέα τεχνολογία για μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας στα data centers

Με την τεχνητή νοημοσύνη και τα κέντρα δεδομένων να απαιτούν ολοένα και περισσότερη ενέργεια, η επιστημονική κοινότητα αναζητά λύσεις που να συνδυάζουν υψηλή απόδοση με χαμηλό ενεργειακό αποτύπωμα. Σε αυτό το πλαίσιο, υλικά με μαγνητοηλεκτρικές ιδιότητες έρχονται στο προσκήνιο ως πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές. Πρόκειται για ειδικές ενώσεις στις οποίες οι ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες συνδέονται μεταξύ τους, επιτρέποντας στους ερευνητές να ελέγχουν τον μαγνητισμό μέσω ηλεκτρικών πεδίων, μια δυνατότητα με τεράστιες προοπτικές για ενεργειακά αποδοτικές μνήμες και επεξεργαστές.

Ένα τέτοιο υλικό είναι το χαλκοοξυσεληνίδιο (Cu₂OSeO₃), ένας κρύσταλλος που σε χαμηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει περίπλοκες μαγνητικές δομές. Οι ατομικές του περιστροφές (spins) οργανώνονται σε σπειροειδή και κωνικά σχήματα, σχηματίζοντας μαγνητικές υφές που ξεπερνούν κατά πολύ το μέγεθος του κρυσταλλικού πλέγματος. Το ενδιαφέρον είναι πως αυτές οι δομές δεν είναι δεσμευμένες από τη γεωμετρία του υλικού, κάτι που τις καθιστά εξαιρετικά ευέλικτες και ρυθμιζόμενες.

Μια ερευνητική ομάδα από το Paul Scherrer Institute (PSI) στην Ελβετία απέδειξε πρόσφατα ότι είναι δυνατό να κατευθυνθούν αυτές οι μαγνητικές υφές μέσα στο χαλκοοξυσεληνίδιο μέσω της εφαρμογής ηλεκτρικών πεδίων. Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα μαγνητικά υλικά, όπου οι περιστροφές των ατόμων είναι αυστηρά ευθυγραμμισμένες και σταθερές, το συγκεκριμένο υλικό αποκρίνεται ενεργά στις αλλαγές δυναμικού. Οι επιστήμονες κατόρθωσαν, για πρώτη φορά, να επαναπροσανατολίσουν συνεχώς την κατεύθυνση διάδοσης των μαγνητικών δομών αποκλειστικά με τη χρήση ηλεκτρικού πεδίου, ένα φαινόμενο που ονομάστηκε μαγνητοηλεκτρική εκτροπή.

Η διερεύνηση των μαγνητικών αυτών δομών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της πειραματικής διάταξης SANS-I στον ελβετικό επιταχυντή SINQ. Εκεί, μέσω σκέδασης νετρονίων σε μικρές γωνίες (SANS), η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει με εξαιρετική ακρίβεια τη διάταξη και την κατεύθυνση των μαγνητικών υφών σε νανοκλίμακα. Χάρη σε ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα, κατάφεραν να εφαρμόσουν υψηλό ηλεκτρικό πεδίο στο δείγμα, ενώ ταυτόχρονα χαρτογραφούσαν τη μαγνήτισή του με απόλυτη λεπτομέρεια.

Όπως δήλωσε ο Jonathan White, υπεύθυνος του πειράματος στο PSI, «η ικανότητα να κατευθύνουμε τόσο μεγάλες μαγνητικές δομές μέσω ηλεκτρικών πεδίων δείχνει τι μπορούμε να πετύχουμε όταν καινοτόμα πειράματα συνδυάζονται με προηγμένες ερευνητικές υποδομές». Σύμφωνα με τον ίδιο, η ανίχνευση ενός τόσο λεπτού φαινομένου οφείλεται κυρίως στη μοναδική ανάλυση και ευελιξία της διάταξης SANS-I.

Τα ευρήματα δεν περιορίστηκαν μόνο στην επιβεβαίωση του φαινομένου. Η ομάδα προχώρησε και σε βαθύτερη φυσική ανάλυση της συμπεριφοράς των μαγνητικών δομών υπό την επίδραση διαφορετικών εντάσεων του ηλεκτρικού πεδίου. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η απόκριση του υλικού διακρίνεται σε τρία διαφορετικά καθεστώτα: Σε χαμηλές εντάσεις, η μαγνητική υφή εκτρέπεται ήπια και γραμμικά. Σε μεσαίες εντάσεις, η συμπεριφορά γίνεται μη γραμμική και πιο πολύπλοκη. Τέλος, σε υψηλές εντάσεις, παρατηρείται δραστική αναστροφή 90 μοιρών στην κατεύθυνση διάδοσης της μαγνητικής υφής.

Σύμφωνα με τον Sam Moody, κύριο συγγραφέα της μελέτης και μεταδιδακτορικό ερευνητή στο PSI, «κάθε μία από αυτές τις περιοχές απόκρισης φέρει μοναδικά χαρακτηριστικά, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές αισθητήρων ή αποθήκευσης δεδομένων». Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα πιθανά «υβριδικά» συστήματα, στα οποία οι εναλλαγές μεταξύ των διαφορετικών καθεστώτων θα μπορούσαν να ελέγχονται συνδυαστικά με μαγνητικά πεδία, προσφέροντας επιπλέον δυνατότητες προσαρμογής.

Η ανακάλυψη της μαγνητοηλεκτρικής εκτροπής ανοίγει τον δρόμο για έναν νέο τρόπο ελέγχου του μαγνητισμού χωρίς τη χρήση ενεργοβόρων μαγνητικών πεδίων. Η ευελιξία και η ακρίβεια με την οποία μπορεί να επιτευχθεί ο έλεγχος αυτός καθιστούν τη συγκεκριμένη τεχνολογία ελκυστική για βιώσιμες εφαρμογές στο μέλλον, από προηγμένα υπολογιστικά συστήματα μέχρι αποδοτικότερες μονάδες αποθήκευσης δεδομένων.

[via]