مواد سفارشی اسکایرمیون‌های سریع‌تر می‌سازد - دنیای فیزیک

مواد سفارشی اسکایرمیون‌های سریع‌تر می‌سازد - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 6 نوامبر 2023، 4:00 صبح

نمودار دو اسکایرمیون که به صورت آنتی فرومغناطیسی با یکدیگر جفت شده اند، که توسط گروه هایی از فلش های رنگی نشان داده شده است.
دو اسکایرمیون جفت شده ضد فرومغناطیسی: اسپین در مرکز و اسپین های بیرونی ضد موازی با یکدیگر هستند. Skyrmions در این پیکربندی می تواند بیش از 10 برابر سریعتر از سرعت رانش طبیعی خود منتشر شود. (با احترام: ill./©: Takaaki Dohi/دانشگاه توهوکو)

Skyrmions - شبه ذرات با ساختار گرداب مانند - می تواند بیش از 10 برابر سریعتر از سرعت رانش طبیعی خود در مواد ویژه طراحی شده توسط محققان آلمانی و ژاپنی پخش شود. این حرکت سریع‌تر می‌تواند برای اشکال جدید محاسباتی که با استفاده از فرآیندهای تصادفی (تصادفی) مانند حرکت براونی ذرات کار می‌کنند، مفید باشد.

اسکایرمیون ها از اسپین های الکترونی متعددی تشکیل شده اند و می توان آنها را به عنوان چرخش های دو بعدی (یا "بافت های اسپین") درون یک ماده در نظر گرفت. آنها در بسیاری از مواد مغناطیسی، از جمله کبالت - آهن - سیلیکون و لایه‌های نازک منگنز - سیلیسید که برای اولین بار در آنها کشف شدند، وجود دارند. اسکایرمیون‌ها علاوه بر علاقه‌مندی به فیزیک ماده متراکم بنیادی، در سال‌های اخیر توجه قابل‌توجهی را به‌عنوان پایه‌ای احتمالی برای فناوری‌های دیسک سخت آینده به خود جلب کرده‌اند.

دیسک‌های سخت امروزی اطلاعات را در حوزه‌های مغناطیسی ذخیره می‌کنند، مناطقی که همه اسپین‌های مغناطیسی در یک جهت قرار دارند. محدودیت های اساسی در مورد کوچک بودن این دامنه ها وجود دارد که ظرفیت های ذخیره سازی را محدود می کند. در مقابل، Skyrmions تنها ده‌ها نانومتر عرض دارد و بنابراین می‌تواند برای ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی با چگالی بسیار بالاتر استفاده شود. یک مزیت دیگر این است که در حالی که چرخاندن همه چرخش ها در حوزه های معمولی - برای مثال برای تغییر حالت حافظه دستگاه از 1 به 0 - به مقدار قابل توجهی توان نیاز دارد و می تواند کند باشد، یک سوئیچ مبتنی بر اسکایرمیون به چرخش های چرخشی بسیار کمتری نیاز دارد. . علاوه بر این، حالت اسپین نهایی در چنین سیستمی در برابر اغتشاشات خارجی قوی است و ساختارهای اسکایرمیون را نسبت به حوزه های مغناطیسی معمولی پایدارتر می کند.

دینامیک تصادفی برای کامپیوترهای با انرژی بسیار کارآمد

اسکایرمیون ها را می توان با اعمال یک جریان الکتریکی خارجی کوچک به یک لایه نازک مغناطیسی به حرکت در آورد، اما به لطف انتشار به طور طبیعی و تصادفی نیز حرکت می کند. چنین دینامیک های تصادفی اخیراً توجه زیادی را به خود جلب کرده است زیرا می توان از آنها برای ساخت رایانه هایی با انرژی بسیار کارآمد استفاده کرد. تاکاکی دوهی، یک محقق اسپینترونیک در دانشگاه توهوکو که توسعه مواد جدید را رهبری کرد.

دوهی خاطرنشان می‌کند که ویژگی‌های توپولوژیکی متمایز اسکایرمیون‌های مغناطیسی، نسخه خاصی از نیروی مگنوس را به وجود می‌آورد که اجسام در حال چرخش را هنگام حرکت در یک سیال بالا می‌برد. همانطور که شناخته شده است نیروی ژیروتروپیک باعث می شود که اسکایرمیون های فرومغناطیسی در دایره ها حرکت کنند تا در امتداد خطوط مستقیم. این حرکت دایره ای حرکت انتشاری اسکریمیون ها را در مقایسه با ذرات معمولی براونی کاهش می دهد، که (همانطور که آلبرت انیشتین در مطالعه برجسته خود در سال 1905 درباره حرکت براونی بیان کرد) رابطه معکوس بین اصطکاک ذرات و ضریب انتشار را نشان می دهد.

اما نکته مهم این است که جهت حرکت دایره‌ای اسکایرمیون‌ها (در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت) به خاصیتی بستگی دارد که به عنوان بار توپولوژیکی آنها شناخته می‌شود، که به تعداد سیم پیچ ساختارهای گرداب مانند آنها مربوط می‌شود. این بدان معناست که اگر دو اسکایرمیون با اعداد سیم‌پیچ مخالف را بتوان با هم جفت کرد، نیروهای ژیروتروپیک مربوطه آنها خنثی می‌شوند و حرکت انتشاری آنها افزایش می‌یابد. بنابراین، رایانه ای مبتنی بر این نوع اسکایرمیون های «جبران شده با ژیروتروپیک» سریع تر خواهد بود و انرژی کمتری مصرف می کند.

افزایش انتشار اسکایرمیون

ضحی و همکارانش در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ در ماینتس و دانشگاه کنستانز اکنون این نوع جبران‌سازی مبتنی بر کوپلینگ را در پشته‌های چندلایه مواد نشان داده‌اند. هر پشته از دو لایه فرومغناطیسی مجزا ساخته شده از کبالت-آهن-بور تشکیل شده است که توسط یک فاصله دهنده ایریدیوم از هم جدا شده اند. با کنترل ضخامت این ساختار، محققان می‌توانند علامت و قدرت جفت تبادل ضد فرومغناطیسی بین لایه‌ها را تنظیم کنند. با تغییر ضخامت لایه های فرومغناطیسی منفرد، آنها می توانند چرخش خالص را کنترل کنند. دوهی می‌گوید: «به این ترتیب ما می‌توانیم دو نیروی ژیروتروپیک رقیب را برای جبران تنظیم کنیم. به عنوان مثال، برای جبران 90 درصد، متوجه می‌شویم که ضریب انتشار در مقایسه با اسکایرمیون فرومغناطیسی بیش از 10 درصد افزایش می‌یابد.

در مطالعه خود که در آن شرح می دهند طبیعت ارتباطاتمحققان حرکات اسکایرمیون ها را با استفاده از اثر مغناطیسی نوری کر (MOKE) بررسی کردند که مغناطیسی خالص هر دو لایه فرومغناطیسی را تشخیص می دهد. بنابراین آنها قادر به کشف حد جبران 100٪ نبودند، که نظریه آنها افزایش حتی بیشتر در انتشار را پیش بینی می کند. دوهی می‌گوید: «به همین دلیل است که ما به دنبال ابزارهای دیگری (الکتریکی یا نوری) هستیم که ممکن است به ما اجازه دهد تا به این حد برسیم. به عنوان مثال، یک اتصال تونل مغناطیسی که در بالای فرومغناطیسی مصنوعی قرار گرفته است می تواند این مشکل را حل کند.

در حالی که اسکایرمیون‌ها در ضد فرومغناطیس‌های طبیعی نیز باید سریع‌تر از همتایان فرومغناطیسی خود منتشر شوند، آزمایش‌های تا به امروز نشان داده‌اند که آن‌ها از «پینگ‌زنی» قوی رنج می‌برند که حرکت آن‌ها را کند می‌کند. دوهی می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که ضد فرومغناطیس‌های مصنوعی از این نظر بهتر هستند، زیرا مزایای پین‌کردن کم فرومغناطیس‌ها و دینامیک سریع ضد فرومغناطیس‌ها را با هم ترکیب می‌کنند. دنیای فیزیک.

محققان همچنین در حال بررسی راه‌هایی برای کاهش اندازه اسکایرمیون‌ها در ضد فرومغناطیس‌های مصنوعی و همچنین کاهش بیشتر سنجاق‌گذاری آن‌ها هستند. او در پایان می‌گوید: «هر دو جنبه برای مقیاس‌پذیری و بهره‌وری انرژی دستگاه‌های احتمالی آینده که از این شبه ذرات بهره‌برداری می‌کنند، حیاتی هستند».

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک