Lås op for opskriften på magnetiske designerpartikler til næste generation af computerteknologier

Traditionel databehandling bliver i stigende grad erstattet af kunstig intelligens (AI)-teknikker for at opnå mønstergenkendelsesfunktioner på tværs af mange domæner, herunder sundhedspleje, fremstilling og personlig computing. Den stigende kompleksitet af "neurale netværk", der kræves til AI-kapaciteter, forårsager en eksponentiel stigning i energiforbruget. I lyset af stadigt faldende energibudgetter er der et stigende behov for databehandling på indsamlingsstedet, kendt som kanten, især til realtidsapplikationer.

Gå ind i små, men mægtige skyrmioner - bittesmå, snoede arrangementer af elektronspin, der dannes i visse magnetiske tynde film. Disse energieffektive informationsbærere er stabile ved stuetemperatur og kan flyttes af elektriske strømme for potentielt at efterligne, hvordan signaler sendes og modtages af biologiske nerveceller i den menneskelige hjerne.

Ved ekstremt små nanoskalastørrelser kan skyrmioner være 100 gange mindre end de magnetiske områder, der bruges i traditionelle harddiske, hvilket gør potentielle skyrmion-baserede enheder meget kompakte. Dette gør dem til lovende kandidater til brug i fremtidige computerenheder til at realisere neurale netværksapplikationer med lavt strømforbrug.

"Magnetiske skyrmioner er unikt placeret, fordi de er af videnskabelig interesse, stabile i industrikompatible materialer og miljøer og har applikationer i avancerede beregningsproblemer," sagde Dr. Xiaoye Chen fra Spin Technology for Electronic Devices (SpEED)-teamet på A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

"Med overlegne funktioner såsom nanoskalastørrelse, høj stabilitet og energieffektiv drift kan magnetiske skyrmioner være en kraftfuld løsning til udvikling af innovative rekonfigurerbare neurale computerteknologier," tilføjede Dr. Mi-Young Im, stabsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Røntgenoptik (CXRO).

Lær skyrmioner at kende:Hvad gør dem, som de er?

For at designe skyrmioner med ønskede egenskaber, der passer til enhedsspecifikke behov, er et nøglekrav at forstå, hvilke materialeegenskaber der påvirker deres struktur og stabilitet.

Forskere fra A*STAR's IMRE og Institute of High Performance Computing (IHPC), National University of Singapore (NUS) og Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)'s CXRO har samarbejdet om at udforske faktorer, der påvirker skyrmioners centrale fysiske egenskaber i tynd magnetisk film, i en undersøgelse offentliggjort i Advanced Science i januar 2022.

Transformering af skyrmions karakteristika:Justering af den magiske parameter

Holdet udnyttede en magnetisk tyndfilmsplatform bestående af en sekventiel stabling af atomisk tynde metalliske lag, som tidligere blev udviklet hos A*STAR. Denne flerlagsplatform tillader unikt de magnetiske interaktioner, der styrer skyrmions egenskaber, at blive direkte kontrolleret ved at variere tykkelsen af ​​de konstituerende lag.

Holdet undersøgte spinstrukturerne dannet i disse tynde film ved hjælp af en række specialiserede magnetiske billeddannelsesmetoder, herunder elektronmikroskopi og blød røntgenmikroskopi, samt simuleringsteknikker såsom ab-initio og mikromagnetiske beregninger.

Interessant nok fandt holdet ud af, at flere nøgleegenskaber ved magnetiske skyrmioner kunne tunes ved at variere en enkelt materialeparameter, 𝜅, som løst repræsenterer "letheden" ved at skabe spinstrukturer i materialet.

Først skal du øge 𝜅 -værdi fra nul forårsager en skarp ændring i viklingsarrangementet af spin, der danner skyrmion, kendt som dens "helicitet", som derefter fastlægges for større værdier af 𝜅 .

Dernæst øges 𝜅 ændrer skyrmions elasticitet eller "sammentrykkelighed". Til mindre 𝜅 -værdier, kan skyrmioner let skrumpe og udvide sig, ligesom sæbebobler. Men for større 𝜅 -værdier, de er meget kompakte, ligesom billardkugler.

Endelig ændrer stigende 𝜅 yderligere, hvordan skyrmioner genereres fra aflange, bugtende magnetiske domæner kaldet "striber". Til mindre 𝜅 -værdier, striber krymper til enkelte skyrmioner, mens for større 𝜅 -værdier, kan en stribe splittes eller "spaltes" i flere skyrmioner.

Samlet set giver arbejdet en materialebaseret ramme til styring af skyrmions egenskaber til fremtidig brug inden for enheder.

Skru op for varmen:Fra stribe til skyrmions

I en opfølgende undersøgelse offentliggjort i Physical Review Applied i april 2022 brugte holdet en kombination af magnetometri, billeddannelse og simuleringsteknikker til at udforske temperaturafhængigheden af ​​overgangen mellem stribe og skyrmion.

Deres arbejde fastslog, at hver stribe med stigende temperatur spalter eller spalter sig til et større antal skyrmioner, hvilket fører til en stigning i tætheden af ​​skyrmioner. En sådan viden om temperaturens indvirkning på skyrmioner giver muligheder for fremtidig teknologisk udvikling, hvor kontrollerede temperaturcyklusser kan bruges til effektiv skyrmiongenerering i fremtidige ukonventionelle computerapplikationer.

Segling af aftalen:Tilpassede skyrmioner, optimeret til ydeevne

Med begge undersøgelser, der giver en omfattende ramme til styring af skyrmions egenskaber, er det tættere på virkeligheden at skabe skræddersyede skyrmioner med egenskaber skræddersyet til forskellige applikationer. For eksempel kan elektriske enheder bruge enten skyrmion-størrelse eller skyrmion-tal til at udføre logiske operationer, som kan anvende enten lav-𝜅- eller høj-𝜅-materialer. Med tiden kan dette muliggøre udviklingen af ​​skyrmion-enheder til næste generations computere. + Udforsk yderligere

Varmeflow styrer skyrmioners bevægelse i en isolerende magnet