カスタマイズされた素材でより高速なスキルミオンを実現 – Physics World

渦のような構造を持つ準粒子であるスキルミオンは、ドイツと日本の研究者によって開発された特別に設計された材料内で、自然の漂流速度よりも 10 倍以上速く拡散することができます。 このより高速な動きは、粒子のブラウン運動のようなランダム (確率的) プロセスを使用して機能する新しい形式のコンピューティングに役立つ可能性があります。

スキルミオンは多数の電子スピンで構成されており、材料内の XNUMX 次元の渦巻き (または「スピン テクスチャ」) と考えることができます。 それらは、最初に発見されたコバルト-鉄-シリコンやマンガン-ケイ化物の薄膜を含む多くの磁性材料中に存在します。 スキルミオンは、基礎的な凝縮物物理学において興味深いものであるだけでなく、将来のハードディスク技術の基礎となる可能性があるものとして近年かなりの注目を集めています。

今日のハードディスクは、すべての磁気スピンが同じ方向に並んでいる領域である磁区に情報を保存します。 これらのドメインをどれだけ小さくできるかには基本的な制限があり、ストレージ容量が制限されます。 対照的に、スキルミオンは直径がわずか数十ナノメートルであるため、はるかに高密度の記憶装置の作成に使用できる可能性があります。 さらなる利点は、従来のドメインですべてのスピンを反転するには、たとえばデバイスのメモリ状態を 1 から 0 に切り替えるには、かなりの量の電力が必要で時間がかかる場合があるのに対し、スキルミオンベースのスイッチでは必要なスピン反転がはるかに少なくて済むことです。 。 さらに、このような系の最終的なスピン状態は外部の摂動に対して堅牢であるため、スキルミオン構造は従来の磁区よりも安定します。

エネルギー効率の高いコンピュータのための確率力学

スキルミオンは磁性薄膜に外部から小さな電流を流すことで移動させることができますが、拡散のおかげで自然にランダムに移動することもあります。 このような確率力学は、エネルギー効率の高いコンピュータを作るために利用できる可能性があるため、最近大きな関心を集めている、と述べています。 土肥隆明、スピントロニクス研究者 東北大学 新素材の開発を主導した人物。

土肥氏は、磁気スキルミオンの独特のトポロジカルな特性がマグナス力の特別なバージョンを生じさせ、回転する物体が流体中を移動する際にそれを持ち上げると指摘する。 知られているように、ジャイロトロピー力により、強磁性スキルミオンは直線に沿ってではなく円を描くように動きます。 この円運動は、（アルバート・アインシュタインが1905年のブラウン運動の画期的な研究で説明したように）粒子の摩擦と拡散係数の間に逆関係を示す通常のブラウン粒子の拡散運動と比較して、スクリミオンの拡散運動を大幅に減少させます。

しかし重要なのは、スキルミオンの円運動の方向 (時計回りまたは反時計回り) は、トポロジー電荷として知られる特性に依存し、これは渦巻き状の構造の巻き数に関係します。 これは、巻き数が反対の XNUMX つのスキルミオンを結合できる場合、それぞれのジャイロトロピー力が相殺され、拡散運動が増加することを意味します。 したがって、このタイプの「ジャイロトロピック補償された」スキルミオンに基づくコンピューターは、より高速になり、消費エネルギーも少なくなります。

スキルミオンの拡散増加

土肥さんとその仲間たち ヨハネスグーテンベルク大学 マインツと コンスタンツ大学 は今回、材料の多層スタックにおけるこのタイプの結合ベースの補償を実証しました。 各スタックは、イリジウムスペーサーによって分離されたコバルト-鉄-ボロンからなる 90 つの個別の強磁性層で構成されています。 この構造の厚さを制御することで、研究者らは層間の反強磁性交換結合の符号と強さを調整することができた。 個々の強磁性層の厚さを変えることによって、正味のスピンを制御することができます。 「このようにして、競合する 10 つのジャイロトロピック力を調整して補償することができます」と Dohi 氏は言います。 「たとえば、XNUMX% の補償では、強磁性スキルミオンと比較して拡散係数が XNUMX 倍以上向上することがわかりました。」

彼らの研究では、 ネイチャー·コミュニケーションズ研究者らは、両方の強磁性層の正味の磁化を検出する磁気光学カー効果（MOKE）を使用してスキルミオンの動きを調査しました。 したがって、彼らは、理論ではさらに大きな拡散の増加が予測される100%補償の限界を探ることができなかった。 「これが、この限界まで到達できる可能性のある他の（電気的または光学的）手段を検討している理由です」と土肥氏は言う。 「たとえば、合成強磁性体の上部に磁気トンネル接合を配置すれば、この問題を解決できる可能性があります。」

単一のスキルミオンの動きを室温で制御

天然に存在する反強磁性体のスキルミオンも、強磁性体のスキルミオンよりも速く拡散するはずですが、これまでの実験では、スキルミオンは動きを遅くする強い「ピンニング」に悩まされることが判明しています。 「私たちの結果は、合成反強磁性体が強磁性体の低ピンニングの利点と反強磁性体の速いダイナミクスを兼ね備えているため、この点で優れていることを示しています」と土肥氏は語る 物理学の世界.

研究者らはまた、合成反強磁性体のスキルミオンのサイズを小さくし、ピン止めをさらに減らす方法も模索している。 「これらの側面はどちらも、これらの準粒子を利用する将来のデバイスの拡張性とエネルギー効率にとって重要です」と彼は結論づけています。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/tailored-material-makes-speedier-skyrmions/