¿Ha resuelto la Universidad de Beihang el problema de la calefacción de los teléfonos móviles?
Hace unos días, "Nature Electronics", una subrevista de la revista académica de renombre internacional "Nature", publicó el primer dispositivo de activación de campo eléctrico (artículo de investigación) desarrollado por el profesor Liu Zhiqi de la Escuela. de Ciencia e Ingeniería de Materiales de nuestro colegio.
La revista "Nature Electronics" también invitó a un famoso estudioso en el campo de la electrónica antiferromagnética, el profesor Christoph Sürgers del Instituto Tecnológico de Karlsruhe en Alemania, a escribir una reseña especial sobre este logro y publicarla en la mismo tiempo.
Nature Electronics es una revista de investigación publicada por Nature Group que tiene como objetivo publicar los últimos resultados originales en investigación básica y aplicada en el campo de la electrónica, centrándose en el desarrollo de tecnologías emergentes y su enorme impacto social. cambiar. Los números se publican mensualmente y cada número suele contener sólo entre 5 y 7 artículos de investigación.
La investigación de China en el campo de la electrónica está relativamente atrasada. ¡Se puede decir que es realmente raro obtener un artículo de investigación de "Nature·Electronics"!
Entonces, ¿cuál es el logro de este largo nombre? ¿Cómo solucionar el problema de la fiebre y la desmagnetización?
Vivimos en una era de explosión de la información. ¿Cómo almacenar cantidades masivas de información? Se utilizan principalmente materiales ferromagnéticos. Los polos positivo y negativo con diferentes propiedades magnéticas se utilizan para representar 0 y 1 en la computadora y desempeñan el papel de almacenamiento de datos. La escritura de datos es en realidad el proceso en el que el cabezal magnético cambia los polos magnéticos del material magnético extremadamente pequeño en la superficie del disco duro.
Sin embargo, este método tiene una desventaja: en el proceso de utilizar corriente eléctrica para generar un campo magnético, se generará una gran cantidad de calor Joule ineficaz. Los teléfonos móviles y ordenadores pequeños generan calor; los big data y la computación en la nube dependen de una gran cantidad de servidores, que generan más calor y consumen más energía debido a la disipación de calor. Sin mencionar la pérdida de datos provocada por la "desmagnetización".
Dado que los materiales ferromagnéticos tienen el inconveniente de calentarse y el riesgo de desmagnetización, ¿podemos cambiar el material?
Liu Zhiqi dijo: ¡Sí!
Eligió un material de película delgada antiferromagnético combinado con un sustrato monocristalino cerámico piezoeléctrico de BaTiO3. Las cerámicas piezoeléctricas tienen el efecto piezoeléctrico "mágico", que convierte la presión en energía eléctrica y se deforma cuando se aplica un campo eléctrico.
Utilizando esta característica, Liu Zhiqi y su equipo prepararon una película monocristalina epitaxial de alta calidad de compuesto intermetálico antiferromagnético no lineal Mn3Pt sobre un sustrato monocristalino de BaTiO3. El estado de resistencia cambiará con el cambio por deformación. El almacenamiento de datos se logra marcando diferentes estados de resistencia como 0 y 1.
Debido al buen aislamiento de las cerámicas piezoeléctricas, la corriente generada por el campo eléctrico que se les aplica es insignificante, y su consumo de energía será 3-4 órdenes de magnitud menor que el de los materiales ferromagnéticos tradicionales, que es, 1/1000 del ~1/1000 original!
En este caso, ¡no importa si el teléfono se calienta, el ordenador se congela o la tarjeta magnética se desmagnetiza!
¡Emocionante! Pero esto no es suficiente.
¡Nosotros, la gente de Beihang, siempre tendremos el vasto universo en nuestros corazones!
Liu Zhiqi dijo que este material de película delgada antiferromagnética también es un arma para explorar planetas con fuertes campos magnéticos.
La exploración del espacio y la búsqueda de tecnología en las películas clásicas "Star Wars" y "Star Trek" han fascinado a innumerables fanáticos de la ciencia ficción. Desde la antigüedad, los humanos se han esforzado por realizar exploraciones extraterrestres. China planea lanzar una sonda a Marte en 2020 y acaba de anunciar la finalización del diseño aerodinámico el 10 de marzo. SpaceX incluso ha lanzado un plan de colonización de Marte.
Pero la exploración de Júpiter es muy difícil. En 2016, la sonda Juno entró con éxito en la órbita de Júpiter y enfrentó enormes desafíos debido a fuertes campos magnéticos y radiación.
Los materiales de película delgada antiferromagnéticos desarrollados por el equipo de Liu Zhiqi se pueden utilizar para el almacenamiento y procesamiento de información en entornos de campos magnéticos hostiles, y desempeñan un papel muy importante en la exploración de naves espaciales con fuertes campos magnéticos como Júpiter y estrellas de neutrones.
¿Aún recuerdas las “ondas gravitacionales” que llegaron a la pantalla el año pasado? Por primera vez, los humanos han detectado directamente ondas gravitacionales provenientes de la fusión de estrellas de neutrones binarias.
La imagen muestra la violenta explosión cuando dos estrellas de neutrones se fusionan según la imaginación del artista.
La red retorcida de espacio-tiempo simboliza las ondas gravitacionales emitidas por la explosión, y los rayos superior e inferior representan los rayos gamma que estallan sólo unos segundos después de que se emiten las ondas gravitacionales.
¡Impresionante! No es de extrañar que el informe especial de "Nature Electronics" diga que esta investigación ha dado un paso importante en el desarrollo de la espintrónica antiferromagnética.
En vísperas de las Dos Sesiones, CCTV informó sobre el profesor Liu Zhiqi y el profesor Gong Yongji, jóvenes retornados de la Universidad de Beihang.
Liu Zhiqi presentó este logro:
¡Salud por los jóvenes talentos de la Universidad de Beihang!
A continuación, Xiaoxuan presenta detalladamente los resultados de la investigación.
Jugadores de alto nivel, ¡es hora de que demuestren su coeficiente intelectual!
Los jugadores comunes pueden pretender entender como Xiaoxuan...
Los materiales ferromagnéticos tradicionales, como el hierro, el cobalto, el níquel y sus aleaciones, se utilizan ampliamente en el campo de la información magnética moderna. El almacenamiento (como discos duros, cintas magnéticas, tiras magnéticas de tarjetas de crédito, etc.) juega un papel importante. ), que es necesario para la vida diaria de las personas en la era de la digitalización de la información. Sin embargo, con el crecimiento explosivo de los datos globales, el consumo de energía en el proceso de almacenamiento de información está aumentando. Una gran parte del consumo de energía proviene del calor Joule ineficaz de la corriente utilizada para generar el campo magnético en el cable. El almacenamiento magnético tradicional debe ser reemplazado por nuevos dispositivos de almacenamiento para reducir el consumo de energía. Además, los dispositivos de memoria magnética basados en materiales ferromagnéticos son susceptibles a la interferencia de los campos magnéticos errantes circundantes, lo que provoca "desmagnetización" y pérdida de datos.
Durante muchos años, los materiales antiferromagnéticos han desempeñado un papel auxiliar a la hora de fijar la dirección de magnetización de los materiales ferromagnéticos en la estructura del cabezal del almacenamiento magnético moderno debido a su falta de macromagnetismo. Con la investigación en profundidad sobre materiales antiferromagnéticos en los últimos años, la espintrónica antiferromagnética se ha convertido gradualmente en un tema de vanguardia. Por ejemplo, el efecto de magnetorresistencia anisotrópica relacionado con el acoplamiento de órbita de espín en materiales antiferromagnéticos se puede aplicar a dispositivos de almacenamiento de memoria. Sus mayores ventajas incluyen una resistencia efectiva a la interferencia externa del campo magnético disperso y la dinámica intrínseca de alta frecuencia del espín. Además, también se descubrió que algunos materiales antiferromagnéticos no lineales, debido a su especial simetría y propiedades topológicas de la banda de Bloch, exhibirán el efecto Hall anómalo que originalmente solo se encontraba en materiales ferromagnéticos. Se puede entender simplemente que la estructura de espín no lineal puede separar electrones y huecos en el material sin un campo magnético externo, generando así un voltaje Hall perpendicular a la dirección de la corriente.
El profesor Liu Zhiqi de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Beihang preparó una película monocristalina epitaxial de alta calidad del compuesto intermetálico antiferromagnético no lineal Mn3Pt sobre el sustrato monocristalino cerámico piezoeléctrico BaTiO3 [Figura (a) ], se observa un gran efecto Hall anómalo en la topología de temperatura ambiente. Sobre esta base, el equipo experimental aplicó además un campo eléctrico sobre el sustrato cerámico piezoeléctrico BaTiO3_3 [Figura (c)] para provocar una deformación piezoeléctrica, lo que provocó que la estructura cristalina de la película de Mn3Pt se deformara, provocando que la estructura de giro de Mn3Pt se deformara. deformarse alternando entre líneas * * * y líneas no * * *, correspondientemente, el efecto Hall anómalo topológico desaparece o aparece [Figura (d)]. De esta manera, el campo eléctrico externo puede controlar el efecto Hall topológico anómalo de los materiales antiferromagnéticos dentro y fuera, especialmente bajo un campo magnético cero, lo cual es muy beneficioso para aplicaciones prácticas.
(a)a) Diagrama esquemático de la estructura cristalina y de espín de la aleación Mn3Pt, en la que las bolas azules son átomos de Mn y las bolas grises son átomos de Pt. (b) Cambios anormales de la resistencia Hall con el campo magnético externo. (c) Diagrama esquemático de la activación del campo eléctrico. (d) Ajuste "On" y "Off" del efecto Hall del campo eléctrico anormal.
Debido a que las cerámicas piezoeléctricas son muy buenos aislantes, la corriente generada por el campo eléctrico aplicado al BaTiO3 es muy pequeña y puede ignorarse. Por lo tanto, al codificar el almacenamiento de información de esta manera, se puede evitar eficazmente el calor Joule, reduciendo así en gran medida el consumo de energía durante el proceso de almacenamiento de información. Además, la regulación del estado de resistencia de materiales antiferromagnéticos por el campo eléctrico en este trabajo se puede utilizar en dispositivos de almacenamiento de información, que pueden resistir interferencias de campos magnéticos externos, consumir muy poca energía y no generar calor. Se puede utilizar no solo para el almacenamiento de información en la vida diaria, sino también para el almacenamiento y procesamiento de información en campos magnéticos intensos, como las naves espaciales que detectan campos magnéticos fuertes como Júpiter y estrellas de neutrones.
Este trabajo fue publicado online en la revista Nature Electronics el 9 de marzo.
Además, Nature Electronics también invitó al profesor Christoph Sürgers del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, un conocido académico en el campo de la electrónica antiferromagnética, a escribir News & Views publicado al mismo tiempo.
Captura de pantalla del artículo del profesor Christoph Sürgers
En esta investigación participan el profesor Jiang Chengbao, el profesor asociado Wang Jingmin, el Dr. Liu Jinghua, Feng Zexin y los estudiantes graduados Han Yan de la escuela. de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Además, el profesor J. M. D. Coey, un experto en imanes de renombre internacional, también dirigió este trabajo. El trabajo teórico fue completado por el profesor Chen Hua de la Universidad Estatal de Colorado y el profesor Allan H. MacDonald de la Universidad de Texas en Austin, quienes dieron una buena explicación física de las observaciones experimentales.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Programa Top Youth de la Universidad de Beihang.