Kraften ved randomisering:Magnetiske skyrmioner til ny computerteknologi

Det er lykkedes forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) at udvikle en nøglebestanddel af et nyt ukonventionelt computerkoncept. Denne bestanddel anvender de samme magnetiske strukturer, som der forskes i i forbindelse med lagring af elektroniske data på skifteregistre kendt som racerbaner. Heri, forskere undersøger såkaldte skyrmioner, som er magnetiske hvirvellignende strukturer, som potentielle bit-enheder til datalagring. Imidlertid, den nyligt annoncerede nye tilgang har en særlig relevans for probabilistisk databehandling. Dette er et alternativt koncept til elektronisk databehandling, hvor information overføres i form af sandsynligheder frem for i den konventionelle binære form af 1 og 0. Tallet 2/3, for eksempel, kunne udtrykkes som en lang række af 1 og 0 cifre, hvor 2/3 er enere og 1/3 er nuller. Nøgleelementet, der manglede i denne tilgang, var en fungerende bit-omskifter, dvs. en enhed, der tilfældigt omarrangerer en sekvens af cifre uden at ændre det samlede antal 1'ere og 0'ere i sekvensen. Det er præcis, hvad skyrmionerne skal opnå. Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Forskerne brugte tynde magnetiske metalliske film til deres undersøgelser. Disse blev undersøgt i Mainz under et specielt mikroskop, der gjorde de magnetiske justeringer i metalliske film synlige. Filmene har den særlige egenskab, at de er magnetiseret i lodret justering til filmplanet, hvilket gør stabilisering af de magnetiske skyrmioner mulig i første omgang. Skyrmioner kan grundlæggende forestilles som små magnetiske hvirvler, ligner hårslynge. Disse strukturer udviser en såkaldt topologisk stabilisering, der beskytter dem mod at kollapse for let - da en hårslynge modstår at blive let udrettet. Det er netop denne egenskab, der gør skyrmions meget lovende, når det kommer til brug i tekniske applikationer som f.eks. i dette særlige tilfælde, informationslagring. Fordelen er, at den øgede stabilitet reducerer sandsynligheden for utilsigtet datatab og sikrer, at den samlede mængde bits opretholdes.

Omroker for organisering af datasekvens

Omskifteren modtager et fast antal indgangssignaler såsom 1'er og 0'er og blander disse for at skabe en sekvens med det samme samlede antal 1 og 0 cifre, men i en tilfældigt omarrangeret rækkefølge. Det er relativt nemt at nå det første mål med at overføre skyrmion-datasekvensen til enheden, fordi skyrmioner nemt kan flyttes ved hjælp af en elektrisk strøm. Imidlertid, forskerne, der arbejder på projektet, har nu for første gang formået at opnå termisk skyrmion-diffusion i reshuffleren, dermed gøre deres nøjagtige bevægelser fuldstændig uforudsigelige. Det er denne uforudsigelighed, på tur, hvilket gjorde det muligt tilfældigt at omarrangere sekvensen af ​​bits uden at miste nogen af ​​dem. Denne nyudviklede bestanddel er den tidligere manglende brik i puslespillet, der nu gør probabilistisk databehandling til en levedygtig mulighed.

Vellykket tværfagligt samarbejde

"Der var tre aspekter, der bidrog til vores succes. For det første, vi var i stand til at producere et materiale, hvor skyrmioner kun kan bevæge sig som reaktion på termiske stimuli. For det andet vi opdagede, at vi kan forestille os skyrmioner som partikler, der bevæger sig på en måde, der ligner pollen i en væske. Og i sidste ende, vi var i stand til at demonstrere, at reshuffler-princippet kan anvendes i eksperimentelle systemer og bruges til sandsynlighedsberegninger. Forskningen er udført i samarbejde mellem forskellige institutter, og jeg er glad for, at jeg kunne bidrage til projektet, " understregede Dr. Jakub Zázvorka, hovedforfatter af publikationen. Zázvorka forskede i skyrmiondiffusion som forskningsmedarbejder i teamet ledet af professor Mathias Kläui og arbejder i mellemtiden ved Prags Universitet.

"Det er meget interessant, at vores eksperimenter var i stand til at demonstrere, at topologiske skyrmioner er et egnet system til at undersøge ikke kun problemer relateret til spintronik, men også til statistisk fysik. Tak til MAINZ Graduate School of Excellence, vi var i stand til at samle forskellige fysikfelter her, som hidtil normalt fungerer alene, men det kunne klart have gavn af at arbejde sammen. Jeg ser især frem til fremtidigt samarbejde inden for spinstrukturer med Teoretical Physics-teams på Mainz University, som vil byde på vores nye TopDyn – Dynamics and Topology Center, " understregede Mathias Kläui, Professor ved Institut for Fysik ved JGU og direktør for Graduate School of Excellence Materials Science i Mainz (MAINZ).

"Vi kan se fra dette arbejde, at feltet for spintronics tilbyder interessante nye hardwaremuligheder med hensyn til algoritmisk intelligens, et dukkende fænomen, der også undersøges på det nyligt grundlagde JGU Emergent Algorithmic Intelligence Center, " tilføjede Dr. Karin Everschor-Sitte, medlem af forskningscentrets styregruppe og leder af Emmy Noether forskningsgruppen TWIST på JGU Instituttet for Fysik.