Skyrmions foreslået som grundlag for en helt ny computerarkitektur

De magnetiske interaktioner mellem atomer i små skalaer kan skabe unikke tilstande såsom skyrmioner. Skyrmioner har særlige egenskaber og kan eksistere i visse materialesystemer, såsom en 'stak' af forskellige sub-nanometer-tykke metallag. Moderne computerteknologi baseret på skyrmioner – som kun er få nanometer store – lover at muliggøre en ekstremt kompakt og ultrahurtig måde at lagre og behandle data på.

Som et eksempel, et koncept for datalagring med skyrmioner kunne være, at bit 1 og 0 er repræsenteret ved tilstedeværelse og fravær af en given skyrmion. Dette koncept kunne således bruges i 'racebane'-hukommelser. Imidlertid, det er en forudsætning, at afstanden mellem skyrmion for værdien 1 og skyrmion gap for værdien 0 forbliver konstant ved bevægelse under datatransporten, ellers kan der opstå store fejl.

Som et bedre alternativ, skyrmioner med forskellige størrelser kan bruges til repræsentationen af ​​0 og 1. Disse kunne så transporteres som perler på en snor, uden at afstandene mellem perlerne spiller en stor rolle. Eksistensen af ​​to forskellige typer skyrmioner (skyrmion og skyrmion bobber) er hidtil kun blevet forudsagt teoretisk og er kun blevet vist eksperimentelt i et specielt dyrket monokrystallinsk materiale. I disse forsøg, imidlertid, skyrmionerne eksisterer kun ved ekstremt lave temperaturer. Disse begrænsninger gør dette materiale uegnet til praktiske anvendelser.

Forskergruppen ledet af Hans Josef Hug hos Empa er nu lykkedes med at løse dette problem:"Vi har produceret et flerlagssystem bestående af forskellige subnanometertykke ferromagnetiske, ædelmetal og sjældne jordarters metallag, hvor to forskellige skyrmion-tilstande kan eksistere side om side ved stuetemperatur, " siger Hug. Hans hold havde studeret skyrmion egenskaber i ultratynde ferromagnetiske flerlagssystemer ved hjælp af det magnetiske kraftmikroskop, som de udviklede hos Empa. Til deres seneste eksperimenter, de fremstillede materialelag fremstillet af følgende metaller:iridium (Ir), jern (Fe), kobolt (Co), platin (Pt) og de sjældne jordarters metaller terbium (Tb) og gadolinium (Gd).

Mellem de to ferromagnetiske multilag, der genererer skyrmioner - hvor kombinationen af ​​Ir/Fe/Co/Pt-lag er overlejret fem gange - indsatte forskerne et ferrimagnetisk flerlag bestående af et TbGd-legeringslag og et Co-lag. Det særlige ved dette lag er, at det ikke kan generere skyrmioner alene. De to yderste lag, på den anden side, generere skyrmioner i stort antal.

Forskerne justerede blandingsforholdet mellem de to metaller Tb og Gd og tykkelserne af TbGd- og Co-lagene i det centrale lag på en sådan måde, at dets magnetiske egenskaber kan påvirkes af de ydre lag:de ferromagnetiske lag "tvinger" skyrmioner ind i det centrale ferrimagnetiske lag. Dette resulterer i et flerlagssystem, hvor der findes to forskellige typer skyrmioner.

Eksperimentel og teoretisk evidens

De to typer skyrmioner kan let skelnes fra hinanden med magnetisk kraftmikroskop på grund af deres forskellige størrelser og intensiteter. Den større skyrmion, som også skaber et stærkere magnetfelt, trænger ind i hele flerlagssystemet, altså også det midterste ferrimagnetiske flerlag. Jo mindre, svagere skyrmion, på den anden side findes kun i de to ydre flerlag. Dette er den store betydning af de seneste resultater med hensyn til en mulig brug af skyrmioner i databehandling:Hvis binære data – 0 og 1 – skal lagres og læses, de skal kunne skelnes klart, hvilket ville være muligt her ved hjælp af de to forskellige typer skyrmioner.

Ved hjælp af magnetisk kraftmikroskop, individuelle dele af disse flerlag blev sammenlignet med hinanden. Dette gjorde det muligt for Hugs team at bestemme, i hvilke lag de forskellige skyrmioner forekommer. Desuden, mikromagnetiske computersimuleringer bekræftede de eksperimentelle resultater. Disse simuleringer blev udført i samarbejde med teoretikere fra universiteterne i Wien og Messina.

Empa-forsker Andrada-Oana Mandru, undersøgelsens første forfatter, håber på, at en stor udfordring i forhold til praktiske anvendelser er blevet overvundet:"De flerlag, vi har udviklet ved hjælp af sputterteknologi, kan i princippet også produceres i industriel skala, sagde hun. Desuden lignende systemer kan muligvis bruges i fremtiden til at bygge tredimensionelle datalagringsenheder med endnu større lagertæthed. Holdet har for nylig offentliggjort deres arbejde i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation .

Racerbanehukommelse

Konceptet med sådan en hukommelse blev designet i 2004 hos IBM. Det består i at skrive information ét sted ved hjælp af magnetiske domæner – dvs. magnetisk justerede områder - og derefter flytte dem hurtigt inden i enheden ved hjælp af strømme. En bit svarer til et sådant magnetisk domæne. Denne opgave kunne udføres af en skyrmion, for eksempel. Bærematerialet i disse magnetiske informationsenheder er nanotråde, som er mere end tusind gange tyndere end et menneskehår og dermed lover en ekstremt kompakt form for datalagring. Transporten af ​​data langs ledningerne fungerer også ekstremt hurtigt, omkring 100, 000 gange hurtigere end i en konventionel flashhukommelse og med et meget lavere energiforbrug.