Wetenschappers leggen uit hoe cijfergegevens in magnetische skyrmions kunnen worden opgeslagen

Wetenschappers van de Far Eastern Federal University (FEFU) met internationale medewerkers hebben direct magnetisch schrijven van skyrmions voorgesteld, dwz magnetische quasideeltjes en skyrmion-roosters, waarbinnen het mogelijk is om informatie te coderen, verzenden, verwerken en topologische patronen te produceren met een resolutie kleiner dan 100 nanometer. Dit heeft toepassingen voor geminiaturiseerde post-silicium elektronica, nieuwe topologische cryptografietechnieken en groene datacentra, waardoor de belasting van het ecosysteem van de aarde mogelijk aanzienlijk wordt verminderd. Een gerelateerd artikel verschijnt in ACS Nano.

Internationale wetenschappelijke teams zijn intensief op zoek naar alternatieve materialen en benaderingen om siliciumelektronica op basis van CMOS-technologie (complementaire metaal-oxide-halfgeleiders) te vervangen. Het grootste nadeel van deze technologie is de grootte van de hedendaagse transistors die erop zijn gebaseerd. De fysieke onmogelijkheid om ze verder te miniaturiseren, zou de toekomstige ontwikkeling van de elektronica-industrie kunnen belemmeren.

Dunne-film magnetische materialen met lagen van één tot enkele nanometers dik vormen veelbelovende alternatieven voor CMOS-transistors. Binnen deze materialen worden onder bepaalde omstandigheden skyrmionen, niet-triviale magnetische structuren, gevormd.

In de studie beweren de onderzoekers dat ze dicht opeengepakte stabiele arrays van skyrmionen hebben ontworpen door het lokale magnetische veld van een magnetische-krachtmicroscoopsonde te gebruiken om een ​​dunne-film magnetische structuur te beïnvloeden.

Zo was het team een ​​pionier in topologische nanolithografie, waarbij het topologische patronen op nanoschaal kreeg waarbij elke individuele skyrmion fungeert als een pixel, zoals bij digitale fotografie. Dergelijke skyrmion-pixels zijn niet zichtbaar in het optische bereik en om ze te decoderen of te maken, is een microscoop met magnetische kracht vereist.

“Skyrmions aangedreven door stroompulsen kunnen worden gebruikt als basiselementen om het actiepotentieel van biologische neuronen na te bootsen om neuromorfische chips te creëren. Arrays van chips waarbij elk klein neuronelement met een ander communiceert door middel van bewegende en op elkaar inwerkende skyrmions zullen rekenkracht ”, zegt Alexander Samardak, vice-president voor onderzoek van FEFU, een van de auteurs van het artikel. “Een ander interessant veld is visuele of topologische cryptografie. In dat geval wordt een bericht versleuteld als een topologisch patroon, wat een reeks geordende skyrmions is. Voor het ontcijferen van zo’n bericht is eerst kennis nodig van de coördinaten van het beeld op nanoschaal en, ten tweede, de beschikbaarheid van speciale uitrusting, zoals een magnetische krachtmicroscoop met een hoge gevoeligheid voor strooivelden van skyrmions. Pogingen om het bericht te hacken met onjuist geselecteerde parameters voor het lezen van het topologische beeld, zullen tot vernietiging leiden. Momenteel wordt ongeveer 25 MB aan informatie kan worden opgenomen op een vierkante millimeter van een magnetische dunne film. Door de grootte van skyrmions te verkleinen tot 10 nm, een capaciteit van 2,5 Gb / mm² kan worden behaald.”

Een beperking van de benadering is de snelheid waarmee informatie met lokale magnetische velden wordt geregistreerd. Het is nog steeds erg traag, wat de aanpak van massa-implementatie beperkt.

Alexander Samardak zei dat het team leerde hoe de grootte en dichtheid van de skyrmion-pakking te regelen, door de scanstap (een afstand tussen twee aangrenzende scanlijnen) te regelen met een sonde van de magnetische krachtmicroscoop. Het vergroot de reikwijdte van mogelijke toekomstige toepassingen. Als de skyrmions bijvoorbeeld een grootte hebben van minder dan 100 nanometer, kunnen ze worden gebruikt als basis voor reservoirberekening, herconfigureerbare logica en magnonische kristallen, die de basis vormen van magnonische processoren en microgolfcommunicatieapparaten in de sub-THz en THz. bereik. Dergelijke apparaten zullen veel energiezuiniger zijn in vergelijking met bestaande elektronica. Dat maakt de weg vrij voor toekomstige groene en krachtige datacenters.

“Skyrmions kunnen een drager zijn van informatiebits. Dat is mogelijk vanwege de skyrmion-polarisatie, dwz posities omhoog of omlaag, die betrekking hebben op nullen en enen. Daarom kunnen skyrmions basiselementen zijn voor magnetisch of racetrackgeheugen. in tegenstelling tot harde magnetische schijven, zullen geen mechanische onderdelen hebben; stukjes informatie zullen vanzelf bewegen. Bovendien kunnen geordende tweedimensionale arrays van skyrmions de rol spelen van kunstmatige magnonische kristallen, waardoor spingolven zich voortplanten en informatie van een bron naar een ontvanger zonder de werkende elementen te verwarmen ”, zegt Alexey Ognev, hoofd van het FEFU-laboratorium voor dunne-filmtechnologieën en de eerste auteur van het artikel.

Met behulp van de ontwikkelde technologie zijn wetenschappers van plan om de grootte van skyrmions te verkleinen en op basis daarvan praktische apparaten te ontwikkelen.