חומר מותאם מייצר סקירמיונים מהירים יותר - עולם הפיזיקה

ניתן לגרום לסקירמיונים - קוואזי-חלקיקים בעלי מבנה דמוי מערבולת - להתפזר יותר מפי 10 מהר יותר מקצב הסחף הטבעי שלהם בחומרים שתוכננו במיוחד שפותחו על ידי חוקרים בגרמניה וביפן. תנועה מהירה יותר זו יכולה להיות שימושית לצורות מחשוב חדשות שעובדות באמצעות תהליכים אקראיים (סטוכסטיים) כמו תנועה בראונית של חלקיקים.

Skyrmions מורכבים ממספר רב של ספינים אלקטרונים וניתן לחשוב עליהם כמערבולת דו מימדית (או "מרקמי ספין") בתוך חומר. הם קיימים בחומרים מגנטיים רבים, כולל קובלט-ברזל-סיליקון והסרטים הדקים של מנגן-צורני שבו הם התגלו לראשונה. בנוסף לעניין בפיזיקה בסיסית של חומר דחוס, skyrmions משכו תשומת לב רבה בשנים האחרונות כבסיס אפשרי לטכנולוגיות עתידיות של דיסק קשיח.

הדיסקים הקשיחים של היום מאחסנים מידע בתחומים מגנטיים, שהם אזורים שבהם כל הספינים המגנטיים מיושרים לאותו כיוון. ישנן הגבלות בסיסיות על כמה שתחומים אלה יכולים להיות קטנים, מה שמגביל את יכולות האחסון. Skyrmions, לעומת זאת, מודדים רק עשרות ננומטרים לרוחב, ולכן ניתן להשתמש בהם כדי ליצור התקני אחסון עם צפיפות גבוהה בהרבה. יתרון נוסף הוא שבעוד שהפיכת כל הספינים בתחומים קונבנציונליים - כדי להחליף מצב זיכרון של מכשיר מ-1 ל-0, למשל - דורשת כמות ניכרת של כוח ויכולה להיות איטית, מתג מבוסס סקירמיון ידרוש הרבה פחות סיבובים. . בנוסף, מצב הספין הסופי במערכת כזו יהיה חזק בפני הפרעות חיצוניות, מה שהופך את מבני הסקירמיונים ליציבים יותר מתחומים מגנטיים רגילים.

דינמיקה סטוכסטית עבור מחשבים חסכוניים באנרגיה

ניתן לגרום ל-Skyrmions לנוע על ידי הפעלת זרם חשמלי חיצוני קטן על סרט דק מגנטי, אך הם גם נעים באופן טבעי ואקראי, הודות לדיפוזיה. דינמיקה סטוכסטית כזו משכה עניין רב לאחרונה מכיוון שניתן לנצל אותן לייצור מחשבים חסכוניים באנרגיה, אומר טקאקי דוהי, חוקר ספינטרוניקה ב- אוניברסיטת טוהוקו שהוביל את פיתוח החומרים החדשים.

דוהי מציין כי המאפיינים הטופולוגיים המובהקים של סקירמיונים מגנטיים מולידה גרסה מיוחדת של כוח מגנוס, אשר מרים עצמים מסתובבים בזמן שהם נעים דרך נוזל. הכוח הג'ירוטרופי, כפי שהוא ידוע, גורם לסקירמיונים פרומגנטיים לנוע במעגלים ולא לאורך קווים ישרים. תנועה מעגלית זו מפחיתה בצורה דרסטית את תנועת הדיפוזיה של הסקרימיונים בהשוואה לזו של חלקיקים בראוניים רגילים, אשר (כפי שקבע אלברט איינשטיין במחקרו המצטיין משנת 1905 על תנועה בראונית) מציגים קשר הפוך בין חיכוך החלקיקים לבין מקדם הדיפוזיה.

עם זאת, חשוב לציין כי כיוון התנועה המעגלית של הסקירמיונים (בכיוון השעון או נגד כיוון השעון) תלוי בתכונה המכונה המטען הטופולוגי שלהם, המתייחס למספר המתפתל של המבנים דמויי המערבולת שלהם. משמעות הדבר היא שאם ניתן לחבר שני סקירמיונים עם מספרים מתפתלים מנוגדים, הכוחות הג'ירוטרופיים שלהם יתבטלו ותנועת הדיפוזיה שלהם תגדל. מחשב המבוסס על סוג זה של סקירמיונים "מתומכים בגירוטרופיים" יהיה אפוא מהיר יותר ויצרוך פחות אנרגיה.

דיפוזיה מוגברת של סקרמיונים

דוהי ועמיתיו ב- אוניברסיטת יוהנס גוטנברג במיינץ וה אוניברסיטת קונסטנץ כעת הדגימו סוג זה של פיצוי מבוסס צימוד בערימות רב-שכבתיות של חומרים. כל ערימה מורכבת משתי שכבות פרומגנטיות בודדות העשויות מקובלט-ברזל-בורון המופרדות על ידי מרווח אירידיום. על ידי שליטה בעובי של מבנה זה, החוקרים יכלו להתאים את הסימן והחוזק של צימוד החליפין האנטי-פרומגנטי בין השכבות. על ידי שינוי העובי של השכבות הפרומגנטיות הבודדות, הם יכלו לשלוט בסחרור הנטו. "בדרך זו נוכל לכוון את שני הכוחות הג'ירוטרופיים המתחרים לפיצוי", אומר דוהי. "עבור פיצוי של 90%, למשל, אנו מוצאים שמקדם הדיפוזיה גדל ביותר מפקטור של 10 בהשוואה לסקירמיון פרומגנטי."

במחקר שלהם, שבו הם מתארים תקשורת טבע, החוקרים חקרו את תנועות הסקירמיונים באמצעות אפקט Kerr המגנטו-אופטי (MOKE), המזהה את המגנטיזציה נטו של שתי השכבות הפרומגנטיות. לכן הם לא היו מסוגלים לחקור את הגבול של 100% פיצוי, שעבורו התיאוריה שלהם חוזה עלייה גדולה עוד יותר בדיפוזיה. "זו הסיבה שאנחנו בוחנים אמצעים אחרים (חשמליים או אופטיים) שעשויים לאפשר לנו להגיע לגבול הזה", אומר דוהי. "לדוגמה, צומת מנהרה מגנטית המוצבת בחלק העליון של פרומגנטי פרומגנטי יכול לפתור את הבעיה הזו."

תנועה של סקירמיון בודד נשלטת בטמפרטורת החדר

בעוד שסקירמיונים באנטי-פרומגנטים המופיעים באופן טבעי צריכים גם להתפזר מהר יותר מאשר עמיתיהם הפרומגנטיים, ניסויים עד כה גילו שהם סובלים מ"הצמדה" חזקה, שמאטה את תנועתם. "התוצאה שלנו מראה כי אנטי-פרומגנטים סינתטיים טובים יותר בהקשר זה מכיוון שהם משלבים את יתרונות ההצמדה הנמוכים של פרומגנטים והדינמיקה המהירה של אנטי-פרומגנטים", אומר דוהי. עולם הפיזיקה.

החוקרים גם בוחנים דרכים להקטין את גודל הסקירמיונים באנטי-פרומגנטים הסינתטיים, כמו גם לצמצם עוד יותר את ההצמדה שלהם. "שני ההיבטים הללו חיוניים להרחבה וליעילות האנרגטית של מכשירים עתידיים אפשריים המנצלים את הקוואזי-חלקיקים הללו", הוא מסכם.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/tailored-material-makes-speedier-skyrmions/