Спеціальний матеріал робить skyrmions швидшими – Physics World

Скірміони – квазічастинки з вихровою структурою – можна змусити дифундувати більш ніж у 10 разів швидше, ніж їх природна швидкість дрейфу, за допомогою спеціально розроблених матеріалів, розроблених дослідниками з Німеччини та Японії. Цей швидший рух може стати в нагоді для нових форм обчислень, які працюють із використанням випадкових (стохастичних) процесів, таких як броунівський рух частинок.

Скірміони складаються з численних обертів електронів, і їх можна розглядати як двовимірні вихори (або «спінові текстури») всередині матеріалу. Вони існують у багатьох магнітних матеріалах, включаючи кобальт-залізо-кремній і тонкі плівки марганцю-силіциду, в яких вони були вперше виявлені. Окрім інтересу до фундаментальної фізики конденсованого середовища, скірміони привернули значну увагу в останні роки як можлива основа для майбутніх технологій жорстких дисків.

Сучасні жорсткі диски зберігають інформацію в магнітних доменах, які є областями, де всі оберти магнітного поля спрямовані в одному напрямку. Існують фундаментальні обмеження щодо того, наскільки малими можуть бути ці домени, що обмежує ємність зберігання. Skyrmions, навпаки, мають розміри лише десятки нанометрів у поперечнику, і тому їх можна використовувати для створення накопичувачів із набагато вищою щільністю. Додаткова перевага полягає в тому, що в той час як перемикання всіх обертів у звичайних доменах – наприклад, для перемикання стану пам’яті пристрою з 1 на 0 – потребує значної кількості енергії та може бути повільним, перемикач на основі skyrmion вимагатиме набагато менше обертів. . Крім того, кінцевий спіновий стан у такій системі буде стійким до зовнішніх збурень, роблячи скірміонні структури більш стабільними, ніж звичайні магнітні домени.

Стохастична динаміка для високоенергоефективних комп'ютерів

Скірміони можна змусити рухатися, застосувавши невеликий зовнішній електричний струм до магнітної тонкої плівки, але вони також рухаються природним і випадковим чином завдяки дифузії. Така стохастична динаміка нещодавно привернула великий інтерес, тому що її можна використати для створення високоенергоефективних комп’ютерів, каже Такаакі Дохі, дослідник спінтроніки в Університет Тохуку який керував розробкою нових матеріалів.

Дохі зазначає, що різні топологічні властивості магнітних скірміонів викликають особливу версію сили Магнуса, яка піднімає обертові об’єкти, коли вони рухаються крізь рідину. Гіротропна сила, як відомо, змушує феромагнітні скірміони рухатися по колу, а не по прямих. Цей круговий рух різко зменшує дифузійний рух скріміонів порівняно з нормальними броунівськими частинками, які (як виклав Альберт Ейнштейн у його знаковому дослідженні броунівського руху 1905 року) демонструють обернену залежність між тертям частинок і коефіцієнтом дифузії.

Однак важливо те, що напрямок кругового руху скірміонів (за чи проти годинникової стрілки) залежить від властивості, відомої як їхній топологічний заряд, який пов’язаний із кількістю звивистих обертів їхніх вихрових структур. Це означає, що якщо два скірміони з протилежними числами обертання можуть бути з’єднані разом, їхні відповідні гіротропні сили будуть зведені нанівець, а їхній дифузійний рух збільшиться. Таким чином, комп’ютер, заснований на цьому типі скірміонів з «гіротропною компенсацією», був би швидшим і споживав би менше енергії.

Підвищена дифузія скірміону

Дохі та його колеги з Університет Йоганнеса Гутенберга у Майнці та Університет Констанца зараз продемонстрували цей тип компенсації на основі зчеплення в багатошарових стопках матеріалів. Кожен пакет складається з двох окремих феромагнітних шарів із кобальту, заліза та бору, які розділені іридієвою прокладкою. Контролюючи товщину цієї структури, дослідники могли адаптувати знак і силу антиферомагнітного обмінного зв’язку між шарами. Змінюючи товщину окремих феромагнітних шарів, вони могли контролювати чисте обертання. «Таким чином ми можемо налаштувати дві конкуруючі гіротропні сили на компенсацію», — каже Дохі. «Наприклад, для 90% компенсації ми виявили, що коефіцієнт дифузії збільшується більш ніж у 10 разів порівняно з феромагнітним скірміоном».

У своєму дослідженні, яке вони описують в Природа зв'язку, дослідники досліджували рух скірміонів за допомогою магнітооптичного ефекту Керра (MOKE), який виявляє сумарну намагніченість обох феромагнітних шарів. Тому вони не змогли дослідити межу 100% компенсації, для якої їхня теорія передбачає ще більше збільшення дифузії. «Ось чому ми шукаємо інші (електричні чи оптичні) засоби, які могли б дозволити нам досягти цієї межі», — каже Дохі. «Наприклад, цю проблему міг би вирішити магнітний тунельний з’єднання, розміщене у верхній частині синтетичного феромагнетика».

Рух окремого скірміона контролюється при кімнатній температурі

Хоча скірміони в природних антиферомагнетиках також повинні дифундувати швидше, ніж їхні феромагнітні аналоги, експерименти на сьогоднішній день показали, що вони страждають від сильного «закріплення», яке сповільнює їхній рух. «Наш результат показує, що синтетичні антиферомагнетики кращі в цьому відношенні, оскільки вони поєднують переваги низького рівня закріплення феромагнетиків і швидку динаміку антиферомагнетиків», — розповідає Дохі. Світ фізики.

Дослідники також досліджують способи зменшення розміру скірміонів у синтетичних антиферомагнетиках, а також подальшого зменшення їхнього закріплення. «Обидва ці аспекти є вирішальними для масштабованості та енергоефективності можливих майбутніх пристроїв, які використовують ці квазічастинки», — підсумовує він.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/tailored-material-makes-speedier-skyrmions/