Wetenschappers van de Far Eastern Federal University (FEFU) met internationale medewerkers hebben voorgesteld direct magnetisch schrijven van skyrmionen, d.w.z., magnetische quasideeltjes, en skyrmion-roosters, waarbinnen het mogelijk is om te coderen, zenden, informatie verwerken en topologische patronen produceren met een resolutie van minder dan 100 nanometer. Dit heeft toepassingen voor geminiaturiseerde post-silicium elektronica, nieuwe topologische cryptografietechnieken en groene datacenters, mogelijk de belasting van het ecosysteem van de aarde aanzienlijk verminderen. Een gerelateerd artikel verschijnt in ACS Nano .

Internationale wetenschappelijke teams zijn intensief op zoek naar alternatieve materialen en benaderingen om elektronische apparaten van silicium te vervangen op basis van CMOS-technologie (complementaire metaaloxide-halfgeleiders). Het grote nadeel van deze technologie is de grootte van de hedendaagse transistors die erop zijn gebaseerd. De fysieke onmogelijkheid om ze verder te miniaturiseren zou de toekomstige ontwikkeling van de elektronica-industrie kunnen belemmeren.

Dunne-film magnetische materialen met lagen van één tot enkele nanometer dik zijn veelbelovende alternatieven voor CMOS-transistors. Binnen deze materialen skyrmions, niet-triviale magnetische structuren, worden gevormd onder bepaalde voorwaarden.

In de studie, de onderzoekers beweren dat ze dicht opeengepakte stabiele arrays van skyrmionen hebben ontworpen door het lokale magnetische veld van een microscoop met magnetische kracht te gebruiken om een ​​magnetische dunne-filmstructuur te beïnvloeden.

Dus, het team pionierde topologische nanolithografie, topologische patronen op nanoschaal krijgen waarbij elk afzonderlijk skyrmion als een pixel fungeert, zoals bij digitale fotografie. Dergelijke skyrmion-pixels zijn niet zichtbaar in het optische bereik, en om ze te decoderen of te creëren, is een microscoop met magnetische kracht nodig.

"Skyrmionen aangedreven door stroompulsen kunnen worden gebruikt als basiselementen om het actiepotentiaal van biologische neuronen na te bootsen om neuromorfische chips te creëren. Arrays van chips waarbij elk klein neuronelement met een ander communiceert door middel van bewegende en op elkaar inwerkende skyrmionen zullen energie-efficiëntie en hoge computer kracht, " zegt FEFU Vice President voor Onderzoek Alexander Samardak, een van de auteurs van het artikel. "Een ander interessant gebied is visuele of topologische cryptografie. In dat geval een bericht wordt versleuteld als een topologisch patroon, dat is een set van geordende skyrmionen. Het ontcijferen van een dergelijk bericht vereist, eerst, kennis van de coördinaten van het beeld op nanoschaal en, tweede, de beschikbaarheid van speciale uitrusting zoals een magnetische krachtmicroscoop met een hoge gevoeligheid voor verdwaalde velden van skyrmionen. Pogingen om het bericht te hacken met onjuist geselecteerde parameters voor het lezen van het topologische beeld zullen leiden tot de vernietiging ervan. Momenteel, ongeveer 25 MB aan informatie kan worden vastgelegd op een vierkante millimeter van een magnetische dunne film. Door de grootte van skyrmionen te verkleinen tot 10 nm, een capaciteit van 2,5 Gb/mm ² kan worden behaald."

Een beperking van de aanpak is de snelheid van het opnemen van informatie met lokale magnetische velden. Het is nog steeds erg traag, die de aanpak afremt van massale implementatie.

Alexander Samardak zei dat het team leerde hoe de grootte en dichtheid van de skyrmion-pakking te regelen, het besturen van de scanstap (een afstand tussen twee aangrenzende scanlijnen) met een sonde van de magnetische krachtmicroscoop. Het breidt de reikwijdte van mogelijke toekomstige toepassingen uit. Bijvoorbeeld, als de skyrmionen een grootte hebben van minder dan 100 nanometer, ze kunnen worden gebruikt als basis voor reservoirberekening, herconfigureerbare logica en magnonische kristallen, die de basis vormen van magnonische processors en microgolfcommunicatieapparatuur in het sub-THz- en THz-bereik. Dergelijke apparaten zullen veel energiezuiniger zijn in vergelijking met bestaande elektronica. Dat maakt de weg vrij voor toekomstige groene en performante datacenters.

"Skyrmionen kunnen een drager zijn van informatiebits. Dat kan door de skyrmionpolarisatie, d.w.z., posities omhoog of omlaag, die betrekking heeft op nullen en enen. Vandaar, skyrmions kunnen basiselementen zijn voor magnetisch of racetrackgeheugen. dergelijke apparaten, in tegenstelling tot harde magnetische schijven, zal geen mechanische onderdelen hebben; stukjes informatie zullen vanzelf bewegen. Bovendien, geordende tweedimensionale arrays van skyrmionen kunnen de rol spelen van kunstmatige magnonische kristallen, waardoor spingolven zich voortplanten, het verzenden van informatie van een bron naar een ontvanger zonder de werkende elementen te verwarmen, ", zegt Alexey Ognev, hoofd van het FEFU-laboratorium voor dunnefilmtechnologieën en de eerste auteur van het artikel.

Met behulp van de ontwikkelde technologie, wetenschappers zijn van plan om de omvang van skyrmionen te verkleinen en op basis daarvan praktische apparaten te ontwikkelen.