Geschud, niet geroerd: ultrasnelle skyrmion-herschikking

Kleiner, sneller, energiezuiniger: aan toekomstige vereisten voor computergebruik en gegevensopslag is moeilijk te voldoen en alternatieve concepten worden voortdurend onderzocht. Kleine magnetische structuren, zogenaamde skyrmions, kunnen een ingrediënt worden in nieuwe geheugen- en logische apparaten. Om in aanmerking te komen voor technologische toepassing, is een snelle en energiezuinige regeling van deze nanometergrootte skyrmions vereist.

Magnetische skyrmions zijn deeltjesachtige magnetisatieplekken die als zeer kleine wervelingen in een verder gelijkmatig gemagnetiseerd materiaal worden gevormd. Met name ferromagnetische dunne films, skyrmionen zijn stabiel bij kamertemperatuur, met diameters tot in het bereik van tien nanometer. Het is bekend dat skyrmions kunnen worden gecreëerd en verplaatst door korte pulsen van elektrische stroom. Pas onlangs werd ontdekt dat ook korte laserpulsen skyrmions kunnen creëren en vernietigen. In tegenstelling tot elektrische stroompulsen kunnen laserpulsen met een duur van minder dan een picoseconde worden gebruikt, waardoor een snellere en potentieel energiezuinigere route wordt geboden om door skyrmions gecodeerde informatie te schrijven en te verwijderen. Dit maakt het schrijven van laser-skyrmion interessant voor technologische toepassingen, waaronder alternatieve geheugen- en logische apparaten.

Wetenschappers van het Max Born Institute hebben samen met collega’s van Helmholtz-Zentrum Berlin, Massachusetts Institute of Technology en andere onderzoeksinstellingen nu in detail onderzocht hoe lasergebaseerde creatie en vernietiging van skyrmions kan worden gecontroleerd om de toepassing van het proces in apparaten te bevorderen. Om de magnetische skyrmions in beeld te brengen, gebruikte het team van onderzoekers op holografie gebaseerde röntgenmicroscopie, die de kleine magnetisatie-wervelingen met een diameter van 100 nanometer en minder zichtbaar kan maken. Omdat ze de skyrmions konden zien, waren ze in staat om systematisch te bestuderen hoe laserpulsen met verschillende intensiteit, toegepast in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld, skyrmions kunnen creëren of verwijderen. Twee soorten materiaalsystemen, ontworpen om in de eerste plaats magnetische skyrmions te kunnen huisvesten, werden onderzocht, beide bestaande uit ultradunne meerlagige stapels ferromagnetische en paramagnetische materialen.

Gezien de thermische aard van het proces is het niet verrassend dat de laserintensiteit juist moet zijn. Er is echter een materiaalafhankelijk venster van laserintensiteiten dat het mogelijk maakt een nieuw skyrmion-patroon te creëren dat volledig onafhankelijk is van de vorige magnetische toestand. Voor lagere intensiteiten blijft een bestaand patroon ongewijzigd of wordt slechts licht gewijzigd, voor veel hogere intensiteiten wordt de meerlaagse structuur beschadigd. Opmerkelijk is dat het aantal skyrmions dat binnen de laserspot wordt gecreëerd niet wordt beïnvloed door de laserintensiteit. In plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat de aanwezigheid van een extern magnetisch veld het mogelijk maakt om de dichtheid van de gecreëerde skyrmions nauwkeurig te regelen. De kracht van het externe veld biedt daarom een ​​knop om het aantal gecreëerde skyrmions af te stemmen en maakt zelfs vernietiging van skyrmions mogelijk, zoals de wetenschappers rapporteren in het tijdschrift. Applied Physics Letters.

Ze demonstreerden de gecontroleerde creatie of vernietiging van enkele skyrmions binnen de laserspot, zoals vereist voor toepassingen in gegevensopslag waarbij een enkele bit dan kan worden weergegeven door de aanwezigheid of afwezigheid van een skyrmion. Van belang voor mogelijke apparaattoepassingen is echter ook de mogelijkheid om gelijktijdig een bepaalde dichtheid van skyrmionen te genereren in het gebied dat wordt verlicht door een enkele laserpuls. Dit proces zou kunnen worden gebruikt als een “skyrmion reshuffler” in stochastisch computergebruik. Daar worden getallen weergegeven als reeksen willekeurige bits van “0” en “1”, met de kans om “1” tegen te komen die de getalwaarde codeert. Berekeningen kunnen dan worden uitgevoerd via logische bewerkingen tussen individuele bits met verschillende ingangsnummers. Hoewel het duidelijk een nichebenadering is in vergelijking met de heersende digitale logica, is stochastisch computergebruik veelbelovend gebleken voor bepaalde problemen zoals beeldverwerking. Er zijn echter volledig willekeurig gemaakte bitreeksen nodig als ingangssignalen voor correcte resultaten van stochastische computerbewerkingen. Zoals aangetoond in dit werk, kan een dergelijke randomiserende ‘herschikking’ van skyrmions optisch worden uitgevoerd op een tijdschaal van picoseconden, compatibel met de modernste computerkloksnelheid en veel sneller dan in eerdere concepten op basis van thermische diffusie die werkt op de tijdschaal. van seconden.