Is het je ooit opgevallen hoe onze smartphones en computerapparatuur in korte tijd sneller worden? Daar kun je de wet van Moore voor bedanken. In 1965, Mede-oprichter van Intel, Gordon Moore, voorspelde dat de rekenkracht van computers ongeveer elke twee jaar zou verdubbelen. en ongelooflijk deze empirische vuistregel heeft meer dan vijf decennia standgehouden.

Echter, moderne computertechnologie bereikt nu zijn schaallimieten, waardoor de wet van Moore mogelijk tot stilstand komt. In de tussentijd, de vraag naar rekenkracht blijft snel groeien, mede door de opkomst van kunstmatige intelligentie.

Het omzeilen van deze beperkingen op geheugen en rekenkracht is de noodzaak van het uur, en het vereist dat men verder kijkt dan conventionele apparaten en computerarchitecturen. Zie een van de kandidaten:kleine magnetische quasi-deeltjes, skyrmionen genaamd, die een manier kunnen bieden om conventionele verwerkingslimieten te overschrijden.

Omdat het informatieopslaggeheugen en de besluitvormingsfuncties van computers doorgaans gescheiden worden gehouden, het uitvoeren van zelfs de eenvoudigste taken kost energie. Skyrmion, een van de kandidaten die de twee functies kan combineren, openen de deuren naar snellere verwerking en realtime besluitvorming met minder macht.

Meer dan tien jaar geleden ontdekt, magnetische skyrmions zijn lastig te controleren gebleken. Maar nu niet meer, dankzij een baanbrekende techniek ontwikkeld door Anjan Soumyanarayanan en zijn collega's van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). Door hun methode het team slaagde erin om de grootte te verfijnen, dichtheid en stabiliteit van de skyrmionen, hen dichter bij het realiseren van energiezuinige computers te brengen.

Voor het letterlijk een nieuwe draai geven aan skyrmionen en het benutten van kwantumfenomenen voor nano-elektronica, Soumyanarayanan ontving de Young Scientist Award tijdens de 2018 President's Science and Technology Awards. Soumyanarayan, die ook assistent-professor is aan de National University of Singapore en in 2018 de IEEE Magnetics Society Early Career Award ontving, geeft ons een kijkje in skyrmions en de rol die ze kunnen spelen in de volgende generatie computers.

Vertel ons over het belangrijkste probleem dat u met uw onderzoek probeert op te lossen.

De wet van Moore, of de exponentiële groei van rekenkracht met de tijd, bereikt zijn grenzen na een regeerperiode van vijf decennia als de hoeksteen van moderne elektronica. Een veelbelovend alternatief is om het elektron "spin" te gebruiken in plaats van lading om op te slaan, Verwerken, en informatie overdragen. Spin elektronica, of spintronica, kan apparaten bieden met hogere verwerkingssnelheden terwijl het stroomverbruik drastisch wordt verminderd.

de laatste tijd, mijn onderzoeksinspanningen waren gericht op magnetische skyrmionen. Onlangs ontdekt in industrie-compatibele materialen, skyrmionen zijn rangschikkingen van elektronenspins op nanoschaal die zich gedragen als individuele magnetische deeltjes. Ze hebben veelbelovende eigenschappen als basiselementen voor computers van de volgende generatie. We ontwikkelen dunnefilmmaterialen die dergelijke skyrmionen hosten en onderzoeken hun gedrag in apparaten op nanoschaal.

Wat zijn enkele baanbrekende bevindingen in uw vakgebied waarop u wilt voortbouwen?

Eerst, spintronische apparaten vereisen het vermogen om spins elektrisch te detecteren (lezen) en manipuleren (schrijven) om 0 en 1 toestanden te vormen - om het binaire systeem weer te geven dat wordt gebruikt in conventionele computercode. Drie decennia geleden ontdekt, deze mogelijkheden werden erkend met de Nobelprijs 2007 en worden commercieel gebruikt in moderne harde schijven en magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM).

Recenter, de koppeling tussen elektronenspin en momentum - bekend als spin-orbit-koppeling (SOC) - is naar voren gekomen als een aantrekkelijk ingrediënt in industriecompatibele dunne films. Aan de ene kant, SOC maakt de creatie van magnetische skyrmionen en andere nieuwe fenomenen mogelijk. Anderzijds, het biedt een snelle en energiezuinige manier om elektrisch te schrijven.

Eindelijk, we hopen dat dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt bij het nabootsen van de biologie van neuronen, waardoor hersengeïnspireerde of "neuromorfe computing" wordt gerealiseerd. Dit snelgroeiende onderwerp ziet talloze apparaatvoorstellen om herkenning te bereiken, patroon-matching en besluitvormingsmogelijkheden die het menselijk brein nabootsen.

Hoe raakte je geïnteresseerd in het bestuderen van magnetische skyrmionen?

De vorming van magnetische skyrmionen is gebaseerd op drie belangrijke ingrediënten:spin-baankoppeling, magnetisme evenals de unieke topologie op bepaalde materiaaloppervlakken en interfaces. Deze concepten staan ​​centraal in verschillende opkomende fenomenen die de afgelopen 10 tot 15 jaar zijn ontdekt. In 2010, deze concepten vormden de ruggengraat van een succesvol subsidievoorstel dat ik samen met mijn Ph.D. adviseur ter ondersteuning van mijn proefschrift over topologische materialen. Bij terugkeer in Singapore, De diepgaande mogelijkheden van A*STAR op het gebied van magnetische dunne films zorgden voor een natuurlijke spil richting skyrmions. Ik ben blij dat het gepaard ging met uitdagingen op het gebied van materiaalwetenschap en apparaattechniek - beide hebben bewezen waardevolle leermogelijkheden te zijn.

Kun je een van de meest opwindende projecten beschrijven waar je op dit moment aan werkt?

Hoewel magnetische skyrmionen veelbelovend zijn als gegevensverwerkingselementen op nanoschaal, ze zijn niet de gemakkelijkste om mee te werken. In feite, tot voor kort werden magnetische skyrmionen voorheen alleen bij lage temperaturen waargenomen. Daarom, onze eerste inspanningen op dit gebied waren voornamelijk gericht op het vaststellen en aanpassen van hun eigenschappen op kamertemperatuur in dunne films. Onlangs hebben we hun elektrisch gedrag onderzocht binnen apparaatconfiguraties die compatibel zijn met grootschalige fabricage. Eventueel, we hopen elektrische detectie te realiseren, of lezen, en elektrische manipulatie, of het schrijven van skyrmions in dergelijke apparaten. De naadloze integratie van diverse mogelijkheden, zoals materiaalontwikkeling, fabricage van apparaten en elektrische karakterisering - die nodig zijn om te kunnen werken, is uitdagend en toch opwindend.

Wat zijn enkele van de industriële/sociale implicaties van uw onderzoek? Wie heeft er baat bij de bevindingen?

Ons onderzoek sluit aan bij bredere inspanningen op het gebied van spintronica. Spintronic-technologieën worden commercieel gebruikt in harde schijven en magnetisch geheugen. Toekomstige ontdekkingen van spintronisch onderzoek kunnen nieuwe computerarchitecturen mogelijk maken, naast de werking van het apparaat met laag vermogen bij extreem hoge snelheden. Dergelijke apparaten kunnen ons helpen om energie-efficiënte computerplatforms te realiseren.

Dit kan zich mogelijk manifesteren in datacenters met een lager stroomverbruik. Alternatief, ze kunnen worden gebruikt om persoonlijke of edge computing-apparaten met AI-mogelijkheden te ontwikkelen. Eventueel, dergelijk onderzoek kan worden toegepast in diverse domeinen, variërend van productie tot gezondheidszorg en surveillance, omdat het kan helpen bij het bewaken en herkennen van fouten voor interventie.

Hoe ziet u uw onderzoeksgebied de komende 5-10 jaar evolueren?

Gebruiksgeïnspireerde onderzoeksgebieden, inclusief de onze, ontwikkelen zich snel in de manier waarop problemen worden gedefinieerd en aangepakt. Bijvoorbeeld, het definiëren van problemen vereist een grotere en aanhoudende betrokkenheid bij belanghebbenden in de hele waardeketen. Hetzelfde, complex oplossen, grootschalige problemen vereisen de vorming van interdisciplinaire teams bestaande uit materiaalwetenschappers, natuurkundigen, elektrotechnici en computerwetenschappers. Opmerkelijk, machine learning-technieken spelen nu een steeds belangrijkere rol in de voorspelling, ontwerp en analyse van materialen en apparaatparameters. Deze en andere opkomende factoren zullen ons onderzoeksgebied in de nabije toekomst helpen vorm te geven.