Vật liệu phù hợp giúp Skyrmions nhanh hơn – Thế Giới Vật Lý

Vật liệu phù hợp giúp Skyrmions nhanh hơn – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 6 tháng 2023 năm 4 00:XNUMX sáng

Sơ đồ hai skyrmion được ghép phản sắt từ với nhau, được biểu thị bằng các nhóm mũi tên màu
Hai skyrmion được ghép với nhau bằng phản sắt từ: Spin ở trung tâm và spin bên ngoài phản song song với nhau. Skyrmion trong cấu hình này có thể được tạo ra để khuếch tán nhanh hơn 10 lần so với tốc độ trôi dạt tự nhiên của chúng. (Ảnh: ill./©: Takaaki Dohi/Đại học Tohoku)

Skyrmions – giả hạt có cấu trúc dạng xoáy – có thể được làm để khuếch tán nhanh hơn 10 lần so với tốc độ trôi dạt tự nhiên của chúng trong những vật liệu được thiết kế đặc biệt do các nhà nghiên cứu ở Đức và Nhật Bản phát triển. Chuyển động nhanh hơn này có thể hữu ích cho các dạng tính toán mới hoạt động bằng cách sử dụng các quá trình ngẫu nhiên (ngẫu nhiên) như chuyển động Brown của các hạt.

Skyrmion được tạo thành từ nhiều spin electron và có thể được coi là các xoáy hai chiều (hoặc “kết cấu spin”) trong một vật liệu. Chúng tồn tại trong nhiều vật liệu từ tính, bao gồm coban-sắt-silic và màng mỏng mangan-silicide mà chúng được phát hiện lần đầu tiên. Ngoài việc được quan tâm trong vật lý vật chất ngưng tụ cơ bản, skyrmions còn thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây như một cơ sở khả thi cho các công nghệ đĩa cứng trong tương lai.

Các đĩa cứng ngày nay lưu trữ thông tin trong các miền từ tính, đó là những khu vực mà tất cả các spin từ tính được sắp xếp theo cùng một hướng. Có những hạn chế cơ bản về mức độ nhỏ của các miền này, điều này làm hạn chế dung lượng lưu trữ. Ngược lại, Skyrmions chỉ có đường kính hàng chục nanomet và do đó có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị lưu trữ có mật độ cao hơn nhiều. Một lợi thế nữa là trong khi việc lật tất cả các vòng quay trong các miền thông thường - chẳng hạn như để chuyển trạng thái bộ nhớ của thiết bị từ 1 sang 0 - cần một lượng điện năng đáng kể và có thể chậm, thì công tắc dựa trên skyrmion sẽ yêu cầu ít lần lật hơn nhiều. . Ngoài ra, trạng thái spin cuối cùng trong một hệ thống như vậy sẽ mạnh mẽ chống lại các nhiễu loạn bên ngoài, làm cho cấu trúc skyrmion ổn định hơn các miền từ tính thông thường.

Động lực ngẫu nhiên cho máy tính tiết kiệm năng lượng cao

Skyrmion có thể được tạo ra để di chuyển bằng cách đặt một dòng điện nhỏ bên ngoài vào một màng mỏng từ tính, nhưng chúng cũng di chuyển một cách tự nhiên và ngẫu nhiên nhờ sự khuếch tán. Động lực học ngẫu nhiên như vậy gần đây đã thu hút nhiều sự quan tâm vì chúng có thể được khai thác để chế tạo các máy tính tiết kiệm năng lượng cao, cho biết. Takaaki Dohi, một nhà nghiên cứu điện tử học spin tại Đại học Tohuku người dẫn đầu sự phát triển của các vật liệu mới.

Dohi lưu ý rằng các đặc tính tôpô riêng biệt của skyrmion từ tính tạo ra một phiên bản đặc biệt của lực Magnus, lực này nâng các vật thể quay tròn khi chúng di chuyển qua chất lỏng. Lực hồi chuyển, như đã biết, làm cho các skyrmion sắt từ chuyển động theo vòng tròn thay vì dọc theo đường thẳng. Chuyển động tròn này làm giảm đáng kể chuyển động khuếch tán của skrymion so với chuyển động khuếch tán của các hạt Brown bình thường, (như Albert Einstein đã trình bày trong nghiên cứu mang tính bước ngoặt năm 1905 của ông về chuyển động Brown) thể hiện mối quan hệ nghịch đảo giữa ma sát hạt và hệ số khuếch tán.

Tuy nhiên, điều quan trọng là hướng chuyển động tròn của skyrmion (theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ) phụ thuộc vào một tính chất được gọi là điện tích tôpô của chúng, liên quan đến số cuộn dây của các cấu trúc dạng xoáy của chúng. Điều này có nghĩa là nếu hai skyrmion có số cuộn dây đối diện có thể được ghép với nhau thì lực hồi chuyển tương ứng của chúng sẽ triệt tiêu và chuyển động khuếch tán của chúng sẽ tăng lên. Do đó, một máy tính dựa trên loại skyrmion “bù con quay” này sẽ nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Tăng khuếch tán skyrmion

Dohi và các đồng nghiệp tại Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz và Đại học Konstanz hiện đã chứng minh kiểu bù dựa trên khớp nối này trong các chồng vật liệu nhiều lớp. Mỗi ngăn xếp bao gồm hai lớp sắt từ riêng biệt được làm từ coban-sắt-boron được ngăn cách bằng một miếng đệm iridium. Bằng cách kiểm soát độ dày của cấu trúc này, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh dấu hiệu và cường độ của khớp nối trao đổi phản sắt từ giữa các lớp. Bằng cách thay đổi độ dày của từng lớp sắt từ, họ có thể kiểm soát độ xoáy của lưới. “Bằng cách này, chúng tôi có thể điều chỉnh hai lực hồi chuyển cạnh tranh để bù lại,” Dohi nói. “Ví dụ, đối với mức bù 90%, chúng tôi thấy rằng hệ số khuếch tán tăng hơn hệ số 10 so với skyrmion sắt từ.”

Trong nghiên cứu của họ, họ mô tả trong Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chuyển động của skyrmion bằng cách sử dụng hiệu ứng Kerr quang từ (MOKE), hiệu ứng này phát hiện từ hóa thực của cả hai lớp sắt từ. Do đó, họ không thể khám phá giới hạn bù 100%, mà lý thuyết của họ dự đoán mức khuếch tán thậm chí còn gia tăng lớn hơn. Dohi nói: “Đây là lý do tại sao chúng tôi đang xem xét các phương tiện khác (điện hoặc quang) có thể cho phép chúng tôi đạt đến giới hạn này”. “Ví dụ, một đường hầm từ tính được đặt trên đỉnh của một chất sắt từ tổng hợp có thể giải quyết được vấn đề này.”

Trong khi skyrmion trong các chất phản sắt từ xuất hiện tự nhiên cũng sẽ khuếch tán nhanh hơn so với các chất sắt từ tương ứng của chúng, thì các thí nghiệm cho đến nay đã phát hiện ra rằng chúng phải chịu “sự ghim” mạnh, khiến chuyển động của chúng bị chậm lại. “Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng chất phản sắt từ tổng hợp tốt hơn về mặt này vì chúng kết hợp ưu điểm ghim thấp của chất sắt từ và động lực học nhanh của chất phản sắt từ,” Dohi nói. Thế giới vật lý.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách giảm kích thước của skyrmion trong chất phản sắt từ tổng hợp cũng như giảm hơn nữa lực ghim của chúng. Ông kết luận: “Cả hai khía cạnh này đều quan trọng đối với khả năng mở rộng và hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị có thể có trong tương lai khai thác các giả hạt này”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý