Onderzoekers van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) zijn erin geslaagd een sleutelbestanddeel van een nieuw onconventioneel computerconcept te ontwikkelen. Dit bestanddeel maakt gebruik van dezelfde magnetische structuren die worden onderzocht in verband met het opslaan van elektronische gegevens op schuifregisters die bekend staan ​​als racetracks. In deze, onderzoekers onderzoeken zogenaamde skyrmionen, die magnetische vortex-achtige structuren zijn, als potentiële biteenheden voor gegevensopslag. Echter, de onlangs aangekondigde nieuwe benadering is in het bijzonder relevant voor probabilistisch computergebruik. Dit is een alternatief concept voor elektronische gegevensverwerking waarbij informatie wordt overgedragen in de vorm van waarschijnlijkheden in plaats van in de conventionele binaire vorm van 1 en 0. Het getal 2/3, bijvoorbeeld, kan worden uitgedrukt als een lange reeks van 1 en 0 cijfers, waarbij 2/3 enen zijn en 1/3 nullen. Het belangrijkste element dat in deze aanpak ontbrak, was een functionerende bitherschuiver, d.w.z., een apparaat dat willekeurig een reeks cijfers herschikt zonder het totale aantal enen en nullen in de reeks te veranderen. Dat is precies wat de skyrmions moeten bereiken. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De onderzoekers gebruikten dunne magnetische metaalfilms voor hun onderzoek. Deze werden in Mainz onderzocht onder een speciale microscoop die de magnetische uitlijningen in de metaalfilms zichtbaar maakte. De films hebben de speciale eigenschap dat ze in verticale uitlijning met het filmvlak worden gemagnetiseerd, wat in de eerste plaats stabilisatie van de magnetische skyrmionen mogelijk maakt. Skyrmionen kunnen in principe worden voorgesteld als kleine magnetische draaikolken, vergelijkbaar met haarkransen. Deze structuren vertonen een zogenaamde topologische stabilisatie die ze beschermt tegen te gemakkelijk instorten - omdat een haarkrans niet gemakkelijk kan worden rechtgetrokken. Het is precies deze eigenschap die skyrmions veelbelovend maakt als het gaat om gebruik in technische toepassingen zoals, in dit specifieke geval, informatie opslag. Het voordeel is dat de verhoogde stabiliteit de kans op onbedoeld gegevensverlies vermindert en ervoor zorgt dat de totale hoeveelheid bits behouden blijft.

Herschikking voor gegevensreeksorganisatie

De reshuffler ontvangt een vast aantal ingangssignalen zoals 1s en 0s en mixt deze om een ​​reeks te creëren met hetzelfde totale aantal van 1 en 0 cijfers, maar in een willekeurig herschikte volgorde. Het is relatief eenvoudig om het eerste doel van het overbrengen van de skyrmion-gegevensreeks naar het apparaat te bereiken, omdat skyrmionen gemakkelijk kunnen worden verplaatst met behulp van een elektrische stroom. Echter, de onderzoekers die aan het project werken, zijn er nu voor het eerst in geslaagd om thermische skyrmion-diffusie in de herschuiver te bereiken, waardoor hun exacte bewegingen volledig onvoorspelbaar zijn. Het is deze onvoorspelbaarheid, beurtelings, die het mogelijk maakte om de reeks bits willekeurig te herschikken zonder er een te verliezen. Dit nieuw ontwikkelde bestanddeel is het voorheen ontbrekende stukje van de puzzel dat probabilistisch computergebruik nu een haalbare optie maakt.

Succesvolle interdisciplinaire samenwerking

"Er waren drie aspecten die hebben bijgedragen aan ons succes. Ten eerste:we waren in staat om een ​​materiaal te produceren waarin skyrmionen alleen kunnen bewegen als reactie op thermische stimuli. Ten tweede, we ontdekten dat we skyrmionen kunnen zien als deeltjes die bewegen op een manier die vergelijkbaar is met stuifmeel in een vloeistof. En uiteindelijk, we hebben kunnen aantonen dat het reshuffler-principe kan worden toegepast in experimentele systemen en kan worden gebruikt voor kansberekeningen. Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking tussen verschillende instituten en ik ben blij dat ik een bijdrage heb kunnen leveren aan het project, " benadrukte Dr. Jakub Zázvorka, hoofdauteur van de publicatie. Zázvorka deed zijn onderzoek naar skyrmion-diffusie als onderzoeksmedewerker in het team onder leiding van professor Mathias Kläui en werkt inmiddels aan de Universiteit van Praag.

"Het is heel interessant dat onze experimenten hebben kunnen aantonen dat topologische skyrmionen een geschikt systeem zijn voor het onderzoeken van niet alleen problemen met betrekking tot spintronica, maar ook tot statistische fysica. Dankzij de MAINZ Graduate School of Excellence, we hebben hier verschillende natuurkundegebieden kunnen samenbrengen die tot nu toe meestal op zichzelf werken, maar dat zou duidelijk baat kunnen hebben bij samenwerking. Ik kijk vooral uit naar toekomstige samenwerking op het gebied van spinstructuren met de Theoretical Physics-teams van de Universiteit van Mainz, waar ons nieuwe TopDyn - Dynamics and Topology Center, " benadrukte Mathias Kläui, Professor aan het Institute of Physics van JGU en directeur van de Graduate School of Excellence Materials Science in Mainz (MAINZ).

"We kunnen uit dit werk zien dat het veld van spintronica interessante nieuwe hardwaremogelijkheden biedt met betrekking tot algoritmische intelligentie, een opkomend fenomeen dat ook wordt onderzocht in het onlangs opgerichte JGU Emergent Algorithmic Intelligence Center, " voegde Dr. Karin Everschor-Sitte toe, lid van de stuurgroep van het onderzoekscentrum en hoofd van de Emmy Noether onderzoeksgroep TWIST aan het JGU Institute of Physics.