De huidige op silicium gebaseerde computertechnologie is energie-inefficiënt. Naar verwachting zal informatie- en communicatietechnologie tegen 2030 meer dan 20% van de wereldwijde elektriciteitsproductie gebruiken. Het vinden van manieren om technologie koolstofarm te maken, is dus een voor de hand liggend doel voor energiebesparing. Professor Paolo Radaelli van de afdeling Natuurkunde van Oxford, werken met Diamond Light Source, de nationale synchrotron van het VK, heeft leiding gegeven aan onderzoek naar efficiëntere alternatieven voor silicium. De verrassende bevindingen van zijn groep zijn gepubliceerd in Natuur in een artikel met de titel "Antiferromagnetische half-skyrmionen en bimerons bij kamertemperatuur." Sommige van de antiferromagnetische texturen die ze hebben gevonden, zouden bij kamertemperatuur de belangrijkste kandidaten kunnen zijn voor antiferromagnetische spintronica met lage energie.

Onderzoekers werken al lange tijd aan alternatieve technologieën voor silicium. Oxiden van gewone metalen zoals ijzer en koper zijn natuurlijke doelwitten omdat ze al een technologische basis vormen, aanwezig in op silicium gebaseerde computers, wat betekent dat er een grote kans is op compatibiliteit tussen de twee technologieën. Hoewel oxiden geweldig zijn voor het opslaan van informatie, ze zijn niet goed in het verplaatsen van informatie - een noodzaak voor berekeningen. Echter, een eigenschap van oxiden die naar voren is gekomen, is dat vele magnetisch zijn, wat betekent dat het mogelijk is om magnetische bits te verplaatsen, zowel in oxiden als in andere magneten, met zeer weinig energie nodig.

Professor Radaelli zegt:"Het soort bits waar we het over hebben, moet heel klein zijn - 10 nanometer is het typische streefcijfer - en moeten robuust zijn, zelfs wanneer 'geschud en geroerd'. Dit is erg uitdagend, omdat het risico dat ze gewoon wegvloeien erg groot is als het bit zo klein is. Een mogelijke oplossing kwam uit de meest onwaarschijnlijke richtingen:een merkwaardige parallel tussen vastestoffysica en kosmologie. In feite, de inspiratie voor dit project werd gelegd in de vorm van een uitdaging:kunnen we kosmische snaren in een magneet repliceren?"

Essentieel om antwoorden te krijgen was het gebruik van Diamond's Nanoscience-bundellijn en de PhotoEmission Electron Microscope (PEEM). Het combineert een hoge ruimtelijke resolutie met een hoge fluxdichtheid om nanostructuren op nanometer-lengteschalen op te lossen. Via de PEM, de Nanoscience-bundellijn kan nanodeeltjes met een diameter van minder dan 20 nm oplossen met behulp van gepolariseerde zachte röntgenstralen.

Kosmische snaren worden verondersteld filamenten in de ruimte te zijn, veel dunner dan een atoom, maar mogelijk zo lang als de afstand tussen de sterren. Bepaalde kosmologische theorieën voorspellen dat ze zich kunnen hebben gevormd in de ogenblikken na de oerknal toen het universum snel afkoelde. Hoewel onderzoekers nog steeds discussiëren of ze bestaan, een theorie suggereert dat eenmaal gevormd, kosmische snaren zouden stabiel zijn en zouden niet "verdampen, ", zodat astronomen ze in de toekomst misschien kunnen ontdekken. De relevantie van kosmische snaren en computers is dat de wiskundige beschrijving van kosmische snaren vrij eenvoudig is. Dezelfde soort wiskundige voorwaarden die de vorming van snaren bevorderen, kunnen in veel andere fysieke systemen, inclusief magneten.

Professor Radaelli zegt:"Het is de schoonheid van de natuurkunde:wiskundige vergelijkingen die de 'macrokosmos' op parsec-schaal beschrijven, kunnen ook werken in de microkosmos op nanometerschalen. Met de uitdaging ingesteld, het enige wat nog moest gebeuren was het vinden van een geschikte magneet. Alweer, de kandidaat bleek het meest onwaarschijnlijk:gewone roest."

IJzeroxide (chemische formule Fe ₂ O ₃ ) is een hoofdbestanddeel van roest. Elk ijzeratoom fungeert als een klein kompas, maar deze specifieke vorm van Fe ₂ O ₃ is niet magnetisch in de gewone zin van aantrekken en aangetrokken worden door andere magneten:het is een antiferromagneet, zodat de helft van de Fe-kompassen naar het noorden wijst en de andere helft naar het zuiden.

Twee jaar geleden, werken bij Diamond aan monsters geproduceerd aan de Universiteit van Wisconsin, Madison, Radaelli's Oxford-groep ontdekte het magnetische equivalent van kosmische snaren in Fe ₂ O ₃ , en beeldde ze af met behulp van een krachtige röntgenmicroscoop. Deze kleine objecten, bekend als merons, zijn magnetische wervelingen waarin de kompasnaald roteert (NESW of NWSE) terwijl je van het ene atoom naar het andere gaat in een lus op nanometerschaal.

"Achteraf gezien, het vinden van magnetische merons was een grote meevaller, omdat we weten dat ze erg moeilijk te stabiliseren zijn in de omstandigheden die voor dat eerste experiment werden gebruikt. Voor de krant die vandaag is gepubliceerd, we hebben onze samenwerking uitgebreid met de National University of Singapore en zijn erin geslaagd de sleutel te vinden om naar believen magnetische merons te maken en te vernietigen, gebruikmakend van het wiskundige equivalent van de "Big Bang-koeling, ', voegt Radaelli eraan toe.

Het team denkt dat er goede vooruitzichten zijn om 'roest' te gebruiken om superefficiënte computers te maken. Dit komt omdat, hoewel heel eenvoudig in de architectuur, de Fe ₂ O ₃ -gebaseerd apparaat waar meronen en bimeronen werden gevonden, bevat al alle ingrediënten om deze kleine stukjes snel en efficiënt te manipuleren - door een kleine elektrische stroom in een extreem dunne metalen 'overjas' te laten stromen. volgens de ploeg het in realtime controleren en observeren van de beweging van meronen en bimeronen is het doel van een toekomstig röntgenmicroscopie-experiment dat zich momenteel in de planningsfase bevindt.

De overgang van fundamenteel naar toegepast onderzoek betekent dat kosten- en compatibiliteitsoverwegingen van het grootste belang zijn. Hoewel ijzeroxide extreem overvloedig en goedkoop is, de fabricagetechnieken die worden gebruikt door onderzoekers in Singapore en Madison zijn complex en vereisen controle op atomaire schaal. Echter, de onderzoekers zijn optimistisch, zoals ze onlangs hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​dunne laag oxide van het groeimedium af te pellen en het bijna overal te plakken, terwijl de eigenschappen ervan grotendeels onaangetast blijven. Ze zeggen dat hun volgende stappen het ontwerp en de fabricage van proof-of-principle-apparaten zullen zijn op basis van kosmische snaren.