One step closer to smarter electronic devices, using voltage-driven ionic control
Smartphones that anticipate needs. Wearable technology that responds instantly to one’s body. Smart home devices that understand context more intelligently. All at a greener energy footprint and a higher efficiency rate. Yes, researchers are one step closer to making these applications a reality.
Dr. Guo-Xing Miao, Institute for Quantum Computing Faculty, professor, Department of Electrical and Computer Engineering, and his team have demonstrated an integration-friendly way to manipulate spin properties in electronics. Spintronics, or spin electronics, is the study and manipulation of spin in electrons, controlling the spin states for quantum and classical information processing. Traditionally, spintronics rely on large electric currents to create magnetic fields or spin torques to manipulate spin properties. This causes undesirable system overhead and energy dissipation, especially when applied to strongly correlated systems, 2D materials, or complex heterostructures.
Borrowing from the extensive knowledge of rechargeable ionic battery systems that have already revolutionized our daily lives, Miao and his team used a “battery-like” device geometry to carry out their study. They demonstrated an efficient, voltage-driven, highly reversible ionic control of spin channels, using all-solid-state ionic gating, which allows for manipulation of spin states and their direct integration into CMOS circuits.
Schematic of the device concept for quantum and neuromorphic applications. An active spintronic channel is ionically controlled with a battery-like geometry, with solid-state stacks of “cathode”, “anode”, and “electrolyte”.
“Solid-state ionic control, which works at low voltages (just 1–3 volts), offers a more energy-efficient way to tune materials and unlock new behaviours, at the same time ensuring the compatibility with modern integrated circuits. It also makes it possible to create tunable superconducting systems, something conventional methods struggle with because they can’t mobilize enough charge to trigger transitions in the material.”
- Dr. Guo-Xing Miao
This offers additional dimensions of control and mass integration capability for future spintronic applications. There have been major hurdles until now in creating low-power spintronic devices because traditional electronics can’t provide enough control. This emerging method of ionic control further allows the spintronic devices to “learn” over time, similar to how brain cells function by regulating ion flow for synaptic transmission. The adaptability resembling brain cells, could lead to smarter, more efficient technology that processes information akin to how humans think.
The team aims to push the boundaries of spintronics by leveraging these control mechanisms, which offer new pathways for enhancing the performance and functionality of future electronic memory and logic devices that is fully compatible with CMOS technologies. Devices with ion controls will be more energy efficient and less demanding on architectural overhead.
“The applicability of this method is vast and can be applied to fundamental research, as well as technological applications. At the fundamental level, this can easily be used to tune the properties of novel materials to meet the needs on demand. As for the application side, our ‘battery-like’ platform is a great candidate for neuromorphic and quantum hardware applications, advanced logic and memory units, etc. – all these while allowing easy integration and scalability.”
-Dr. Guo-Xing Miao
This project is supported in part by the Canada First Research Excellence Fund (CFREF) through Transformative Quantum Technologies (TQT).
Vers des appareils électroniques toujours plus intelligents grâce au contrôle par voltage des ions
Lubaba Hoque
Un téléphone qui anticipe vos besoins, des technologies prêt-à-porter qui réagissent instantanément à votre corps et des appareils domestiques intelligents qui comprennent le contexte – tout cela dans un format plus vert et plus écoénergétique –, c’est possible? Oui, et nos chercheurs s’en rapprochent.
L’équipe de Guo-Xing Miao, professeur à l’Institut d’informatique quantique et au Département de génie électrique et informatique, a fait la démonstration d’une nouvelle façon, plus propice à l’intégration, de manipuler les propriétés du spin dans les appareils électroniques. La spintronique (ou « électronique du spin ») est l’étude et la manipulation du spin des électrons pour en contrôler les états aux fins du traitement d’information classique ou quantique. Traditionnellement, la spintronique utilisait d’importants courants électriques pour créer des champs magnétiques ou des couples de spin afin de manipuler les propriétés du spin. Or, la méthode implique une perte d’énergie et un temps système excessifs, particulièrement dans les systèmes fortement corrélés, à matériaux bidimensionnels ou à hétérostructures complexes.
Puisant dans les vastes connaissances sur les batteries à ions rechargeables qui ont révolutionné nos vies, le Pr Miao et son équipe ont créé un dispositif reproduisant la géométrie d’une pile. En manipulant le voltage, ils ont réussi à contrôler les canaux de spin des ions de manière efficace et hautement réversible, grâce à des portes ioniques tout-solide permettant d’influencer les états du spin et de les intégrer directement aux circuits CMOS.
« Le contrôle des ions tout-solide, qui fonctionne à bas voltage (1 à 3 volts à peine), est une façon écoénergétique de régler la fréquence des matériaux pour obtenir de nouveaux comportements sans sacrifier la compatibilité avec les circuits intégrés modernes. Il permet aussi la création de systèmes supraconducteurs réglables en fréquence, chose impossible avec les méthodes conventionnelles, qui ne peuvent pas mobiliser une charge suffisante pour forcer une transition dans les matériaux. »
– Pr Guo-Xing Miao
Cette avancée ouvre la porte à de nouvelles méthodes de contrôle et d’intégration de masse pour la spintronique. La création de dispositifs à faible consommation énergétique était jusqu’ici difficile, parce que les appareils électroniques traditionnels n’offrent pas un contrôle suffisant. En outre, avec cette méthode émergente, les dispositifs de spintronique « apprennent » un peu comme le fait un cerveau humain, en régulant le flux ionique pour la transmission synaptique. Cette capacité d’adaptation pourrait permettre de développer des technologies plus intelligentes et plus efficaces capables de traiter l’information selon des processus s’apparentant à la faculté de réflexion chez l’humain.
L’équipe compte utiliser ces nouveaux mécanismes de contrôle pour tenter de repousser les limites de la spintronique et de tracer de nouveaux sentiers afin de créer des appareils de mémoire et de logique plus puissants et performants capables de s’intégrer pleinement aux technologies CMOS. Les dispositifs utilisant le contrôle des ions seront plus écoénergétiques que jamais et réduiront la charge architecturale sur le système.
« Cette méthode a une foule d’applications, tant dans la recherche fondamentale que dans les technologies. Dans le premier cas, elle permet notamment de régler les propriétés de nouveaux matériaux sur demande pour répondre à des besoins précis. Dans le second, notre plateforme inspirée des piles pourra se retrouver dans toutes sortes d’appareils neuromorphiques et quantiques, d’unités de logique et de mémoire avancées, etc. Le tout bien sûr avec une grande facilité d’intégration et d’adaptation. »
– Pr Guo-Xing Miao
Cette étude est financée en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par le biais de l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT).