Rystet, ikke omrørt:Ultrahurtig skyrmion-omblanding

Mindre, hurtigere, mere energieffektiv:Fremtidige krav til databehandling og datalagring er svære at opfylde, og alternative koncepter udforskes løbende. Små magnetiske teksturer, såkaldte skyrmioner, kan blive en ingrediens i nye hukommelses- og logiske enheder. For at komme i betragtning til teknologisk anvendelse, imidlertid, hurtig og energieffektiv kontrol af disse nanometerstore skyrmioner er påkrævet

Magnetiske skyrmioner er partikellignende magnetiseringspletter, der dannes som meget små hvirvler i et ellers ensartet magnetiseret materiale. Især ferromagnetiske tynde film, skyrmioner er stabile ved stuetemperatur, med diametre ned til ti nanometerområdet. Det er kendt, at skyrmioner kan skabes og flyttes af korte pulser af elektrisk strøm. Først for nylig blev det opdaget, at også korte laserimpulser er i stand til at skabe og udslette skyrmioner. I modsætning til elektriske strømimpulser, laserimpulser af varighed under picosekunder kan bruges, giver en hurtigere og potentielt mere energieffektiv rute til at skrive og slette information kodet af skyrmions. Dette gør laserskyrmion-skrivning interessant til teknologiske anvendelser, inklusive alternative hukommelses- og logikenheder.

Forskere fra Max Born Institute sammen med kolleger fra Helmholtz-Zentrum Berlin, Massachusetts Institute of Technology og yderligere forskningsinstitutioner har nu undersøgt i detaljer, hvordan laserbaseret skabelse og udslettelse af skyrmioner kan kontrolleres for at fremme anvendelsen af ​​processen i enheder. For at afbilde de magnetiske skyrmioner, holdet af forskere brugte holografi-baseret røntgenmikroskopi, som kan gøre de bittesmå magnetiseringshvirvler med en diameter på 100 nanometer og mindre synlige. At kunne se skyrmionerne, de var i stand til systematisk at studere, hvordan laserimpulser med forskellig intensitet, anvendes i nærvær af et eksternt magnetfelt, kan oprette eller slette skyrmioner. To typer materialesystemer, designet til at være i stand til at være vært for magnetiske skyrmioner i første omgang, blev undersøgt, begge bestående af ultratynde flerlagsstabler af ferromagnetiske og paramagnetiske materialer.

Ikke overraskende i betragtning af processens termiske karakter, laserintensiteten skal være rigtig. Imidlertid, der er et materialeafhængigt vindue af laserintensiteter, som giver mulighed for at skabe et nyt skyrmionmønster, som er fuldstændig uafhængigt af den tidligere magnetiske tilstand. For lavere intensiteter, et eksisterende mønster forbliver uændret eller er kun lidt ændret, til meget højere intensiteter, flerlagsstrukturen er beskadiget. Bemærkelsesværdigt, antallet af skyrmioner skabt i laserpletten er ikke påvirket af laserintensiteten. I stedet, forskerne fandt ud af, at tilstedeværelsen af ​​et eksternt magnetfelt gør det muligt præcist at kontrollere tætheden af ​​dannede skyrmioner. Styrken af ​​det ydre felt giver derfor en knap til at justere antallet af skyrmioner, der skabes, og giver endda mulighed for udslettelse af skyrmioner, som forskerne rapporterer i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

De demonstrerede den kontrollerede skabelse eller udslettelse af enkelte skyrmioner i laserpletten, som krævet til applikationer i datalagring, hvor en enkelt bit så kunne repræsenteres af tilstedeværelsen eller fraværet af en skyrmion. Af interesse for potentiel enhedsanvendelse, imidlertid, er også evnen til samtidig at generere en særlig tæthed af skyrmioner i området belyst af en enkelt laserpuls. Denne proces kunne bruges som en "skyrmion-reshuffler" i stokastisk databehandling. der, tal er repræsenteret som strenge af tilfældige bits af "0" og "1, " med sandsynlighed for at støde på "1", der koder for talværdien. Beregninger kan derefter udføres via logiske operationer mellem individuelle bits af forskellige inputtal. Selvom det klart er en nichetilgang sammenlignet med den gængse digitale logik, stokastisk databehandling har vist sig lovende til særlige problemer såsom billedbehandling. Imidlertid, fuldstændigt randomiserede bitstrenge er nødvendige som inputsignaler for korrekte resultater af stokastiske beregningsoperationer. Som vist i dette arbejde, sådan randomiserende "omrokering" af skyrmioner kan udføres optisk på en tidsskala på picosekunder, kompatibel med state-of-the-art computer clock-hastighed og meget hurtigere end i tidligere koncepter baseret på termisk diffusion, der opererer på en tidsskala på sekunder.