De mindste magnetiske hvirvler nogensinde markerer et skridt mod ny digital hukommelse

Ved at vride magnetisme til rekordsmå spiraler, University of Nebraska-Lincoln fysikere fremskynder indsatsen for at forvandle den digitale ækvivalent til memory lane til en memory-racerbane, der kan spare energi og plads i næste generations elektronik.

Magnetiske materialer indeholder atomer, der fungerer som miniatureversioner af en klassisk stangmagnet, med hver en nord- og sydpol. I de materialer, der udviser de stærkeste magnetfelter - de såkaldte ferromagneter, der forvandler et køleskab til et fotogalleri, for eksempel – disse atomers poler peger alle i samme retning.

Men det ordnede arrangement kan blive forstyrret af en skyrmion (SKUR'-mee-ahn):et sæt atomer, hvis poler hælder længere og længere væk fra den magnetiske akse, når de nærmer sig skyrmions centrum, med atomet i sin kerne pegende i den modsatte retning af den akse.

Forskere havde tidligere skabt skyrmioner med en diameter på omkring 50 nanometer - omkring 2, 000 gange tyndere end et menneskehår – i et ferromagnetisk materiale kaldet manganmonosilicid. Men en ny undersøgelse ledet af Nebraskas David Sellmyer og Balamurugan Balasubramanian har rapporteret dannelsen af ​​skyrmioner kun 13 nanometer brede - hvad der synes at være den mindst mulige størrelse i materialet.

At miniaturisering betyder noget, Selmyer sagde, hvis de "interessante magnetiske strukturer" skal opfylde deres løfte som en næste generations form for digital hukommelse.

"En af de største begrænsninger har været diameteren af ​​disse ting, sagde Sellmyer, George Holmes University Distinguished Professor i fysik og astronomi. "Denne opdagelse er et vigtigt skridt i retning af at udnytte dem til applikationer i den virkelige verden."

Digital datalagring eksisterer traditionelt som separate partier af negativt og positivt polariserede atomer, der repræsenterer 1'erne og 0'erne, eller stykker, af binær kode. Fordi at skabe og flytte en skyrmion kræver langt mindre energi end at justere de polariserede grupper af atomer, forskere ser den magnetiske spiral som et tiltalende alternativ til digital lagring. Under det scenarie, de forskellige magnetiske signaturer produceret i nærvær og fravær af skyrmioner ville repræsentere de binære databits.

"I de sidste årtier, tætheden af ​​datalagring er gået gennem taget, sagde Sellmyer, der leder Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Steder over hele landet bygger disse cloud-storage-sites. Mængden af ​​information, der bliver lagret - og den strøm, der forbruges af disse datacentre - bliver så høj, at du praktisk talt er nødt til at forestille dig et kraftværk ved siden af ​​dem. Så vi har brug for hurtigere og meget lavere energidatalagring."

Før det kan ske, Selmyer sagde, forskere er nødt til at skrumpe skyrmioner ned til en skala, der i det mindste konkurrerer med eksisterende digitale hukommelsesformater. Selvom 13 nanometer er meget lille, holdet formåede kun at skabe sådan en lille skyrmion ved ekstremt lave temperaturer – minus -382 grader Fahrenheit er det højeste. At finde en metode eller et materiale, der kan understøtte små skyrmioner ved stuetemperatur, er fortsat et hovedmål, han sagde.

At opnå bedriften ville også give forskere mulighed for at eksperimentere med hukommelsesvæddeløbsbaner:nanoskopiske striber, der kunne transportere de magnetiske hvirvler fra en gruppe atomer til en anden, når de drives af en elektrisk strøm. Ved at bringe disse bits til en datalæser/skriver i stedet for omvendt, racerbanedesign kunne øge behandlingshastigheder og forlænge levetiden på harddiske.

"En (konventionel) harddisk har en disk, der hvirvler rundt med mange bevægelige dele, og der er styrt, " sagde Sellmyer. "Denne nye form for racerbanebaseret teknologi vil være en stor forbedring i, at komponenter ikke bliver slidt, og du bruger mindre strøm.

"Der skal gøres meget arbejde i forhold til at se, om man kunne lave, for eksempel, en 20 nanometer bred stribe og flyt skyrmionerne langs den. Men det er det overordnede mål for dette arbejde."

Holdet detaljerede sine resultater i journalen Nanoskala , som fremhævede forskningen på bagsiden.