Dopasowany materiał sprawia, że ​​skyrmiony są szybsze – Świat Fizyki

Dopasowany materiał sprawia, że ​​skyrmiony są szybsze – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 6 listopada 2023 4:00

Schemat dwóch skyrmionów połączonych ze sobą antyferromagnetycznie, reprezentowanych przez grupy kolorowych strzałek
Dwa skyrmiony sprzężone antyferromagnetycznie: spin w środku i spiny zewnętrzne są względem siebie antyrównoległe. Skyrmiony w tej konfiguracji mogą rozprzestrzeniać się ponad 10 razy szybciej niż ich naturalne tempo dryfu. (Dzięki uprzejmości: ill./©: Takaaki Dohi/Uniwersytet Tohoku)

Skyrmiony – kwazicząstki o strukturze przypominającej wir – można zmusić do dyfuzji ponad 10 razy szybciej niż ich naturalne tempo dryfu, dzięki specjalnie zaprojektowanym materiałom opracowanym przez naukowców z Niemiec i Japonii. Ten szybszy ruch może się przydać w nowatorskich formach obliczeń, które wykorzystują procesy losowe (stochastyczne), takie jak ruch cząstek Browna.

Skyrmiony składają się z licznych spinów elektronów i można je traktować jako dwuwymiarowe wiry (lub „tekstury spinowe”) w materiale. Występują w wielu materiałach magnetycznych, w tym w cienkich warstwach kobaltu, żelaza i krzemu oraz manganu i krzemku, w których zostały odkryte po raz pierwszy. Skyrmiony nie tylko interesują się podstawową fizyką materii skondensowanej, ale w ostatnich latach cieszą się dużym zainteresowaniem jako możliwa podstawa dla przyszłych technologii dysków twardych.

Współczesne dyski twarde przechowują informacje w domenach magnetycznych, czyli obszarach, w których wszystkie spiny magnetyczne są ułożone w tym samym kierunku. Istnieją podstawowe ograniczenia dotyczące tego, jak małe mogą być te domeny, co ogranicza pojemność magazynu. Natomiast Skyrmiony mają średnicę zaledwie kilkudziesięciu nanometrów i dlatego można je wykorzystać do tworzenia urządzeń pamięci masowej o znacznie większej gęstości. Kolejną zaletą jest to, że podczas gdy odwracanie wszystkich spinów w konwencjonalnych domenach – na przykład przełączenie stanu pamięci urządzenia z 1 na 0 – wymaga znacznej ilości energii i może być powolne, przełącznik oparty na skyrmionie wymagałby znacznie mniejszej liczby obrotów . Ponadto końcowy stan spinu w takim układzie byłby odporny na zakłócenia zewnętrzne, dzięki czemu struktury skyrmionu byłyby bardziej stabilne niż konwencjonalne domeny magnetyczne.

Dynamika stochastyczna dla komputerów wysoce energooszczędnych

Skyrmiony można wprawić w ruch, przykładając niewielki zewnętrzny prąd elektryczny do cienkiej warstwy magnetycznej, ale poruszają się one również naturalnie i losowo dzięki dyfuzji. Taka dynamika stochastyczna cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem, ponieważ można ją wykorzystać do budowy wysoce energooszczędnych komputerów, mówi Takaaki Dohi, badacz spintroniki w Uniwersytet w Tohuku który kierował rozwojem nowych materiałów.

Dohi zauważa, że ​​odrębne właściwości topologiczne skyrmionów magnetycznych powodują powstanie specjalnej wersji siły Magnusa, która unosi wirujące obiekty poruszające się w płynie. Jak wiadomo, siła żyrotropowa sprawia, że ​​skyrmiony ferromagnetyczne poruszają się po okręgach, a nie po liniach prostych. Ten ruch kołowy drastycznie zmniejsza ruch dyfuzyjny skrymionów w porównaniu z ruchem normalnych cząstek Browna, które (jak stwierdził Albert Einstein w swoim przełomowym badaniu ruchów Browna z 1905 r.) wykazują odwrotną zależność między tarciem cząstek a współczynnikiem dyfuzji.

Co jednak ważne, kierunek ruchu kołowego skyrmionów (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) zależy od właściwości zwanej ich ładunkiem topologicznym, który wiąże się z liczbą uzwojeń ich wirowych struktur. Oznacza to, że jeśli uda się połączyć ze sobą dwa skyrmiony o przeciwnych liczbach uzwojeń, odpowiadające im siły żyrotropowe zniosą się, a ich ruch dyfuzyjny wzrośnie. Komputer oparty na tego typu skyrmionach z „kompensacją żyrotropową” byłby zatem szybszy i zużywałby mniej energii.

Zwiększone rozprzestrzenianie się skyrmionów

Dohi i współpracownicy z Uniwersytet Johannesa Gutenberga w Moguncji i Uniwersytet w Konstancji zademonstrowali teraz tego typu kompensację opartą na sprzężeniu w wielowarstwowych stosach materiałów. Każdy stos składa się z dwóch oddzielnych warstw ferromagnetycznych wykonanych z kobaltu, żelaza i boru, oddzielonych irydową przekładką. Kontrolując grubość tej struktury, badacze mogli dostosować znak i siłę sprzężenia wymiany antyferromagnetycznej pomiędzy warstwami. Zmieniając grubość poszczególnych warstw ferromagnetycznych, można było kontrolować obrót siatki. „W ten sposób możemy dostroić dwie konkurujące siły żyrotropowe w celu kompensacji” – mówi Dohi. „Na przykład w przypadku kompensacji 90% stwierdzamy, że współczynnik dyfuzji wzrasta ponad 10-krotnie w porównaniu ze skyrmionem ferromagnetycznym”.

W swoim opracowaniu, które opisują w Nature Communicationsnaukowcy zbadali ruchy skyrmionów, korzystając z magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE), który wykrywa namagnesowanie netto obu warstw ferromagnetycznych. Nie byli zatem w stanie zbadać granicy 100% kompensacji, dla której ich teoria przewiduje jeszcze większy wzrost dyfuzji. „Dlatego szukamy innych środków (elektrycznych lub optycznych), które mogłyby pozwolić nam osiągnąć ten limit” – mówi Dohi. „Na przykład złącze tunelu magnetycznego umieszczone na górze syntetycznego ferromagnetyka mogłoby rozwiązać ten problem”.

Chociaż skyrmiony w naturalnie występujących antyferromagnetykach powinny również dyfundować szybciej niż ich ferromagnetyczne odpowiedniki, dotychczasowe eksperymenty wykazały, że cierpią one z powodu silnego „unieruchomienia”, co spowalnia ich ruch. „Nasz wynik pokazuje, że syntetyczne antyferromagnesy są pod tym względem lepsze, ponieważ łączą w sobie zalety ferromagnetyków charakteryzujące się niewielkim przypinaniem i dużą dynamiką antyferromagnesów” – mówi Dohi Świat Fizyki.

Naukowcy badają także sposoby zmniejszenia rozmiaru skyrmionów w syntetycznych antyferromagnetykach, a także dalszego ograniczenia ich unieruchomienia. „Obydwa te aspekty mają kluczowe znaczenie dla skalowalności i efektywności energetycznej ewentualnych przyszłych urządzeń wykorzystujących te kwazicząstki” – podsumowuje.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki