Kohandatud materjal teeb kiiremad skyrmions – Physics World

Skyrmione – keeriselaadse struktuuriga kvaasiosakesi – saab Saksamaa ja Jaapani teadlaste poolt välja töötatud spetsiaalselt välja töötatud materjalides panna difundeeruma rohkem kui 10 korda kiiremini kui nende loomulik triivimiskiirus. See kiirem liikumine võib olla kasulik uudsete arvutusvormide jaoks, mis töötavad juhuslike (stohhastilisi) protsesse, nagu osakeste Browni liikumine.

Skyrmionid koosnevad paljudest elektronide spinnidest ja neid võib pidada kahemõõtmelisteks pööristeks (või "pöörlevateks tekstuurideks") materjali sees. Neid leidub paljudes magnetilistes materjalides, sealhulgas koobalt-raud-räni ja mangaani-silitsiidi õhukestes kiledes, milles need esmakordselt avastati. Lisaks sellele, et skyrmionid pakuvad huvi fundamentaalse kondenseeritud aine füüsika vastu, on nad viimastel aastatel pälvinud märkimisväärset tähelepanu tulevaste kõvakettatehnoloogiate võimaliku alusena.

Tänapäeva kõvakettad salvestavad informatsiooni magnetdomeenidesse, mis on alad, kus kõik magnetspinnid on joondatud samas suunas. Nende domeenide väikesteks suurusteks on põhimõttelised piirangud, mis piirab salvestusmahtu. Skyrmionid seevastu mõõdavad vaid kümneid nanomeetreid ja seetõttu saab neid kasutada palju suurema tihedusega salvestusseadmete loomiseks. Täiendav eelis on see, et kui tavalistes domeenides kõigi keerutuste ümberpööramine – näiteks seadme mälu oleku 1-lt 0-le lülitamiseks – nõuab märkimisväärset võimsust ja võib olla aeglane, siis skyrmionil põhinev lüliti nõuab palju vähem keerutusi. . Lisaks oleks sellise süsteemi lõplik spin-olek vastupidav väliste häirete suhtes, muutes skyrmioni struktuurid stabiilsemaks kui tavalised magnetdomeenid.

Stohhastiline dünaamika väga energiatõhusate arvutite jaoks

Skyrmionid saab liikuma panna, rakendades magnetilisele õhukesele kilele väikese välise elektrivoolu, kuid nad liiguvad ka loomulikult ja juhuslikult tänu difusioonile. Selline stohhastiline dünaamika on viimasel ajal pälvinud suurt huvi, sest seda saab kasutada väga energiatõhusate arvutite valmistamiseks, ütleb Takaaki Dohi, spintroonika teadur Tohuku Ülikool kes juhtis uute materjalide väljatöötamist.

Dohi märgib, et magnetiliste skyrmioonide erinevad topoloogilised omadused põhjustavad Magnuse jõu eriversiooni, mis tõstab pöörlevaid objekte, kui need liiguvad läbi vedeliku. Gürotroopne jõud, nagu on teada, paneb ferromagnetilised skyrmoonid liikuma pigem ringides kui mööda sirgeid jooni. See ringliikumine vähendab drastiliselt skrymionide difusioonilist liikumist võrreldes tavaliste Browni osakeste omaga, millel (nagu Albert Einstein oma 1905. aasta Browni liikumise maamärgiuuringus) on pöördvõrdeline seos osakeste hõõrdumise ja difusioonikoefitsiendi vahel.

Oluline on aga see, et skyrmionide ringikujulise liikumise suund (päripäeva või vastupäeva) sõltub omadustest, mida nimetatakse nende topoloogiliseks laenguks ja mis on seotud nende keeriselaadsete struktuuride mähiste arvuga. See tähendab, et kui kaks vastassuunalise mähisenumbriga skyrmioni saab omavahel ühendada, siis nende vastavad gürotroopsed jõud kaovad ja nende difuusne liikumine suureneb. Seda tüüpi "gürotroopse kompensatsiooniga" skyrmionidel põhinev arvuti oleks seega kiirem ja tarbiks vähem energiat.

Suurenenud skyrmioni difusioon

Dohi ja kolleegid Johannes Gutenbergi ülikool Mainzis ja Konstanzi ülikool on nüüd demonstreerinud seda tüüpi sidestuspõhist kompenseerimist mitmekihilistes materjalide virnades. Iga virn koosneb kahest eraldiseisvast ferromagnetilisest kihist, mis on valmistatud koobalt-raud-boor, mis on eraldatud iriidiumi vahekihiga. Selle struktuuri paksuse kontrollimisega said teadlased kohandada kihtide vahelise antiferromagnetilise vahetuse sidestuse märki ja tugevust. Üksikute ferromagnetiliste kihtide paksuse muutmisega saaksid nad kontrollida neto pöörlemist. "Nii saame häälestada kaks konkureerivat gürotroopset jõudu kompensatsioonile, " ütleb Dohi. "Näiteks 90% kompensatsiooni korral leiame, et difusioonikoefitsient suureneb ferromagnetilise skyrmiooniga võrreldes rohkem kui 10 korda."

Oma uuringus, mida nad kirjeldavad Nature Communications, uurisid teadlased skyrmionide liikumist magneto-optilise Kerri efekti (MOKE) abil, mis tuvastab mõlema ferromagnetilise kihi netomagnetiseerumise. Seetõttu ei saanud nad uurida 100% kompensatsiooni piiri, mille puhul nende teooria ennustab veelgi suuremat difusiooni kasvu. "Seetõttu otsime muid (elektrilisi või optilisi) vahendeid, mis võiksid lubada meil selle piirini jõuda, " ütleb Dohi. "Näiteks sünteetilise ferromagneti ülaossa paigutatud magnettunneli ristmik võib selle probleemi lahendada."

Ühe skyrmioni liikumist kontrollitakse toatemperatuuril

Kuigi looduslikult esinevate antiferromagnetite skyrmoonid peaksid difundeeruma kiiremini kui nende ferromagnetilised analoogid, on senised katsed leidnud, et neil on tugev "kinnitus", mis aeglustab nende liikumist. "Meie tulemus näitab, et sünteetilised antiferromagnetid on selles osas paremad, kuna need ühendavad endas ferromagnetite vähese kinnitumise eelised ja antiferromagnetite kiire dünaamika," räägib Dohi. Füüsika maailm.

Teadlased uurivad ka viise, kuidas vähendada sünteetiliste antiferromagnetite skyrmioonide suurust ja veelgi vähendada nende kinnitumist. "Mõlemad need aspektid on neid kvaasiosakesi kasutavate võimalike tulevaste seadmete mastaapsuse ja energiatõhususe jaoks üliolulised," järeldab ta.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/tailored-material-makes-speedier-skyrmions/