Traditioneel computergebruik wordt steeds vaker vervangen door kunstmatige intelligentie (AI)-technieken om patroonherkenningsmogelijkheden te bereiken in vele domeinen, waaronder gezondheidszorg, productie en personal computing. De toenemende complexiteit van "neurale netwerken" die nodig zijn voor AI-mogelijkheden, veroorzaakt een exponentiële stijging van het energieverbruik. In het licht van de steeds kleiner wordende energiebudgetten, is er een groeiende behoefte aan dataverwerking op het verzamelpunt, ook wel de edge genoemd, vooral voor realtime toepassingen.

Betreed kleine maar machtige skyrmionen - kleine, kronkelende opstellingen van elektronenspins die zich vormen in bepaalde magnetische dunne films. Deze energiezuinige informatiedragers zijn stabiel bij kamertemperatuur en kunnen worden verplaatst door elektrische stromen om mogelijk na te bootsen hoe signalen worden verzonden en ontvangen door biologische zenuwcellen in het menselijk brein.

Bij extreem kleine nanoschaalgroottes kunnen skyrmionen 100 keer kleiner zijn dan de magnetische gebieden die worden gebruikt in traditionele harde schijven, waardoor potentiële op skyrmion gebaseerde apparaten zeer compact zijn. Dit maakt ze veelbelovende kandidaten voor gebruik in toekomstige computerapparatuur om neurale netwerktoepassingen te realiseren met een laag stroomverbruik.

"Magnetische skyrmionen zijn uniek gepositioneerd omdat ze van wetenschappelijk belang zijn, stabiel zijn in industrie-compatibele materialen en omgevingen, en toepassingen hebben in geavanceerde computerproblemen," zei Dr. Xiaoye Chen van het Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) team van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

"Met superieure eigenschappen zoals nanoschaalgrootte, hoge stabiliteit en energiezuinige werking, kunnen magnetische skyrmionen een krachtige oplossing zijn voor het ontwikkelen van innovatieve herconfigureerbare neurale computertechnologieën", voegde Dr. Mi-Young Im, stafwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Röntgenoptica (CXRO).

Skyrmions leren kennen:wat maakt ze zoals ze zijn?

Om skyrmions te ontwerpen met de gewenste kenmerken die geschikt zijn voor apparaatspecifieke behoeften, is het een belangrijke vereiste om te begrijpen welke materiaaleigenschappen hun structuur en stabiliteit beïnvloeden.

Onderzoekers van A*STAR's IMRE en Institute of High Performance Computing (IHPC), de National University of Singapore (NUS) en de CXRO van Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hebben samengewerkt om factoren te onderzoeken die van invloed zijn op de belangrijkste fysieke kenmerken van skyrmionen in dunne magnetische films, in een studie gepubliceerd in Advanced Science in januari 2022.

De kenmerken van skyrmions transformeren:de magische parameter afstemmen

Het team maakte gebruik van een magnetisch dunne-filmplatform bestaande uit een sequentiële stapeling van atomair dunne metaallagen, dat eerder bij A*STAR was ontwikkeld. Dit meerlaagse platform maakt het op unieke wijze mogelijk dat de magnetische interacties die de eigenschappen van skyrmion bepalen direct worden gecontroleerd door de dikte van de samenstellende lagen te variëren.

Het team onderzocht de spinstructuren die in deze dunne films werden gevormd met behulp van een reeks gespecialiseerde magnetische beeldvormingsmethoden, waaronder elektronenmicroscopie en zachte röntgenmicroscopie, evenals simulatietechnieken zoals ab-initio en micromagnetische berekeningen.

Interessant genoeg ontdekte het team dat verschillende belangrijke eigenschappen van magnetische skyrmionen konden worden afgestemd door een enkele materiaalparameter, 𝜅, te variëren, wat losjes het "gemak" weergeeft van het creëren van spinstructuren in het materiaal.

Ten eerste, het verhogen van de 𝜅 -waarde vanaf nul veroorzaakt een scherpe verandering in de kronkelende opstelling van spins die het skyrmion vormen, bekend als zijn "helicity", die vervolgens wordt vastgesteld voor grotere waarden van 𝜅 .

Verhoog vervolgens 𝜅 verandert de elasticiteit van skyrmions, of 'samendrukbaarheid'. Voor kleinere 𝜅 -waarden kunnen skyrmionen gemakkelijk krimpen en uitzetten, net als zeepbellen. Maar voor grotere 𝜅 -waarden, ze zijn zeer compact, zoals biljartballen.

Ten slotte verandert het toenemende 𝜅 verder hoe skyrmionen worden gegenereerd uit langwerpige, meanderende magnetische domeinen die 'strepen' worden genoemd. Voor kleinere 𝜅 -waarden, strepen krimpen in enkele skyrmionen, terwijl voor grotere 𝜅 -waarden, een streep kan splitsen of "splijten" in meerdere skyrmions.

Over het algemeen biedt het werk een op materiaal gebaseerd raamwerk voor het regelen van skyrmion-eigenschappen voor toekomstig gebruik binnen apparaten.

De verwarming hoger zetten:van streep tot skyrmions

In een vervolgonderzoek gepubliceerd in Physical Review Applied in april 2022 gebruikte het team een ​​combinatie van magnetometrie, beeldvorming en simulatietechnieken om de temperatuurafhankelijkheid van de streep-naar-skyrmion-overgang te onderzoeken.

Hun werk stelde vast dat bij toenemende temperatuur elke streep zich splitst of splijt in een groter aantal skyrmionen, wat leidt tot een toename van de dichtheid van skyrmionen. Dergelijke kennis van de impact van temperatuur op skyrmionen biedt mogelijkheden voor toekomstige technologische ontwikkeling, waarbij gecontroleerde temperatuurcycli kunnen worden gebruikt voor het efficiënt genereren van skyrmion in toekomstige onconventionele computertoepassingen.

De deal sluiten:aangepaste skyrmions, geoptimaliseerd voor prestaties

Omdat beide onderzoeken een uitgebreid raamwerk bieden voor het beheersen van skyrmion-eigenschappen, komt het creëren van op maat gemaakte skyrmions met kenmerken die zijn afgestemd op verschillende toepassingen dichter bij de realiteit. Elektrische apparaten kunnen bijvoorbeeld de skyrmion-grootte of het skyrmion-nummer gebruiken om logische bewerkingen uit te voeren, die respectievelijk materialen met een laag of hoog niveau kunnen gebruiken. Op termijn kan dit de ontwikkeling mogelijk maken van skyrmionische apparaten voor computergebruik van de volgende generatie. + Verder verkennen

Warmtestroom regelt de beweging van skyrmionen in een isolerende magneet