Forskere forklarer, hvordan man lagrer chifferdata i magnetiske skyrmioner

Forskere fra Far Eastern Federal University (FEFU) med internationale samarbejdspartnere har foreslået direkte magnetisk skrivning af skyrmioner, dvs. magnetiske kvasipartikler, og skyrmion gitter, hvori det er muligt at kode, sende, behandle information og producere topologiske mønstre med en opløsning på mindre end 100 nanometer. Dette har applikationer til miniaturiseret post-silicium elektronik, nye topologiske kryptografiteknikker og grønne datacentre, potentielt reducere belastningen på jordens økosystem betydeligt. En relateret artikel vises i ACS Nano .

Internationale videnskabelige hold leder intensivt efter alternative materialer og tilgange til at erstatte siliciumelektronikenheder baseret på CMOS-teknologi (komplementære metal-oxid-halvledere). Den største ulempe ved denne teknologi er størrelsen af ​​moderne transistorer baseret på den. Den fysiske umulighed af yderligere at miniaturisere dem kan hindre den fremtidige udvikling af elektronikindustrien.

Tyndfilmsmagnetiske materialer med lag fra en til flere nanometer tykke udgør lovende alternativer til CMOS-transistorer. Inden for disse materialer, skyrmions, ikke-trivielle magnetiske strukturer, dannes under visse betingelser.

I undersøgelsen, forskerne hævder, at de har designet tætpakkede stabile arrays af skyrmioner ved at bruge det lokale magnetfelt fra en magnetisk kraftmikroskopsonde til at påvirke en tyndfilmsmagnetisk struktur.

Dermed, holdet var banebrydende for topologisk nanolitografi, at få topologiske mønstre i nanoskala, hvor hver enkelt skyrmion fungerer som en pixel, som i digital fotografering. Sådanne skyrmion pixels er ikke synlige i det optiske område, og at afkode dem eller skabe dem kræver et magnetisk kraftmikroskop.

"Skyrmioner drevet af strømimpulser kan bruges som grundlæggende elementer til at efterligne biologiske neuroners aktionspotentiale for at skabe neuromorfe chips. Arrays af chips, hvor hvert lille neuronelement kommunikerer med et andet ved hjælp af skyrmioner i bevægelse og interaktion, vil have energieffektivitet og høj computerkraft, " siger FEFUs vicepræsident for forskning Alexander Samardak, en af ​​artiklens forfattere. "Et andet interessant felt er visuel eller topologisk kryptografi. I så fald en besked er krypteret som et topologisk mønster, som er et sæt ordnede skyrmioner. At tyde en sådan besked vil kræve, først, kendskab til koordinaterne af nanoskalabilledet og, sekund, tilgængeligheden af ​​specialudstyr såsom et magnetisk kraftmikroskop med høj følsomhed over for herreløse felter af skyrmioner. Forsøg på at hacke beskeden med forkert valgte parametre til at læse det topologiske billede vil føre til dets ødelæggelse. I øjeblikket, omkring 25 MB information kan optages på en kvadratmillimeter af en magnetisk tynd film. Ved at reducere størrelsen af ​​skyrmioner til 10 nm, en kapacitet på 2,5 Gb/mm ² kan opnås."

En begrænsning ved tilgangen er hastigheden for registrering af information med lokale magnetfelter. Det går stadig meget langsomt, hvilket bremser tilgangen fra masseimplementering.

Alexander Samardak sagde, at holdet lærte, hvordan man regulerer størrelsen og tætheden af ​​skyrmion-pakningen, styring af scanningstrinnet (en afstand mellem to tilstødende scanningslinjer) med en sonde fra det magnetiske kraftmikroskop. Det udvider omfanget af mulige fremtidige anvendelser. For eksempel, hvis skyrmionerne har en størrelse på mindre end 100 nanometer, de kan bruges som base for reservoirberegning, rekonfigurerbar logik og magnoniske krystaller, som er grundlaget for magnoniske processorer og mikrobølgekommunikationsenheder i området under THz og THz. Sådanne enheder vil være meget mere energieffektive sammenlignet med eksisterende elektronik. Det baner vejen for fremtidige grønne og højtydende datacentre.

"Skyrmions kan være en bærer af informationsbits. Det er muligt på grund af skyrmion-polariseringen, dvs. positioner op eller ned, som vedrører nuller og etaller. Derfor, skyrmioner kan være grundlæggende elementer til magnetisk eller racerbanehukommelse. Sådanne enheder, i modsætning til hårde magnetiske diske, vil ikke have nogen mekaniske dele; bits af information vil flytte af sig selv. I øvrigt, ordnede todimensionelle arrays af skyrmioner kan spille rollen som kunstige magnoniske krystaller, hvorigennem spin-bølger udbredes, at overføre information fra en kilde til en modtager uden at opvarme arbejdselementerne, " siger Alexey Ognev leder af FEFU Laboratory for tyndfilmsteknologier og artiklens første forfatter.

Ved at bruge den udviklede teknologi, videnskabsmænd planlægger at nedskalere størrelsen af ​​skyrmioner og udvikle praktiske enheder baseret på dem.