For nylig opdagede fænomener kunne give en måde at omgå grænserne for Moores lov

Ny forskning har vist, at en eksotisk form for magnetisk adfærd, der blev opdaget for blot et par år siden, lover meget som en måde at lagre data på - en måde, der kan overvinde fundamentale grænser, der ellers kunne signalere enden på "Moores lov, "som beskriver de løbende forbedringer inden for beregning og datalagring i de seneste årtier.

I stedet for at læse og skrive data en bit ad gangen ved at ændre orienteringen af ​​magnetiserede partikler på en overflade, som nutidens magnetiske diske gør, det nye system ville gøre brug af små forstyrrelser i magnetisk orientering, som er blevet døbt "skyrmions". Disse virtuelle partikler, som forekommer på en tynd metallisk film, der er klemt ind mod en film af andet metal, kan manipuleres og kontrolleres ved hjælp af elektriske felter, og kan gemme data i lange perioder uden behov for yderligere energiindgang.

I 2016 et hold ledet af MIT lektor i materialevidenskab og teknik Geoffrey Beach dokumenterede eksistensen af ​​skyrmioner, men partiklernes placering på en overflade var helt tilfældige. Nu, Beach har samarbejdet med andre for at demonstrere eksperimentelt for første gang, at de kan skabe disse partikler efter behag på bestemte steder, hvilket er det næste nøglekrav for at bruge dem i et datalagringssystem. Et effektivt system til at læse disse data vil også være nødvendigt for at skabe et kommercialiserbart system.

De nye resultater rapporteres i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi , i et papir af Beach, MIT postdoc Felix Buettner, og kandidatstuderende Ivan Lemesh, og 10 andre på MIT og i Tyskland.

Systemet fokuserer på grænseområdet mellem atomer, hvis magnetiske poler peger i den ene retning, og dem med poler, der peger den anden vej. Dette grænseområde kan bevæge sig frem og tilbage i det magnetiske materiale, Beach siger. Hvad han og hans team fandt for fire år siden var, at disse grænseområder kunne kontrolleres ved at placere en anden plade af ikke-magnetisk tungmetal meget tæt på det magnetiske lag. Det ikke-magnetiske lag kan så påvirke det magnetiske, med elektriske felter i det ikke-magnetiske lag, der skubber rundt om de magnetiske domæner i det magnetiske lag. Skyrmioner er små hvirvler med magnetisk orientering i disse lag, Beach tilføjer.

Nøglen til at kunne skabe skyrmioner efter behag på bestemte steder, det viser sig, lå i materialefejl. Ved at introducere en særlig form for defekt i det magnetiske lag, skyrmionerne bliver fastgjort til bestemte steder på overfladen, fandt teamet. De overflader med tilsigtede defekter kan så bruges som en kontrollerbar skriveflade til data kodet i skyrmionerne. Teamet indså, at i stedet for at være et problem, defekterne i materialet kunne faktisk være gavnlige.

"En af de største manglende brikker", der skal til for at gøre skyrmions til et praktisk datalagringsmedium, Strand siger, var en pålidelig måde at skabe dem, når og hvor der var brug for dem. "Så dette er et væsentligt gennembrud, "forklarer han, takket være arbejde af Buettner og Lemesh, papirets hovedforfattere. "Det de opdagede var en meget hurtig og effektiv måde at skrive" sådanne formationer på.

Fordi skyerne, dybest set små magnetiske hvirvler, er utroligt stabile over for eksterne forstyrrelser, i modsætning til de individuelle magnetiske poler i en konventionel magnetisk lagerenhed, data kan kun gemmes ved hjælp af et lille område af den magnetiske overflade - måske kun et par atomer på tværs. Det betyder, at langt flere data kan skrives på en overflade af en given størrelse. Det er en vigtig kvalitet, Beach forklarer, fordi konventionelle magnetiske systemer nu når grænser sat af den grundlæggende fysik af deres materialer, potentielt standse den stadige forbedring af lagerkapaciteten, som er grundlaget for Moores lov. Det nye system, en gang perfektioneret, kunne give en måde at fortsætte disse fremskridt hen imod stadig tættere datalagring, han siger.

Systemet kan også potentielt kode data ved meget høje hastigheder, gør det effektivt ikke kun som en erstatning for magnetiske medier såsom harddiske, men selv for de meget hurtigere hukommelsessystemer, der bruges i Random Access Memory (RAM) til beregning.

Men det, der stadig mangler, er en effektiv måde at aflæse dataene på, når de er blevet gemt. Dette kan gøres nu ved hjælp af sofistikeret røntgenmagnetisk spektroskopi, men det kræver udstyr for komplekst og dyrt til at være en del af et praktisk computerhukommelsessystem. Forskerne planlægger at udforske bedre måder at få informationen ud igen, som kunne være praktisk at fremstille i skala.

Røntgenspektrografen er "som et mikroskop uden linser, "Buettner forklarer, så billedet rekonstrueres matematisk ud fra de indsamlede data, snarere end fysisk ved at bøje lysstråler ved hjælp af linser. Linser til røntgenstråler findes, men de er meget komplekse, og koster $40, 000 til $50, 000 stykket, han siger.

Men en alternativ måde at læse data på kan være mulig, ved hjælp af et ekstra metallag tilføjet til de andre lag. Ved at skabe en bestemt tekstur på dette tilføjede lag, det kan være muligt at detektere forskelle i lagets elektriske modstand afhængig af, om der er en skyrmion til stede eller ej i det tilstødende lag. "Der er ingen tvivl om, at det ville virke, " Buettner siger, det er bare et spørgsmål om at finde ud af den nødvendige tekniske udvikling. Holdet forfølger denne og andre mulige strategier for at løse udlæsningsspørgsmålet.