Магниты создают невидимые поля, которые притягивают определенные материалы. Как простой пример — магниты на холодильник. Но гораздо важнее для нашей повседневной жизни то, что магниты могут хранить данные в компьютерах. Используя направление магнитного поля (скажем, вверх или вниз), каждый из микроскопических стержневых магнитов может хранить один бит памяти как ноль или единицу, что лежит в основе кода для компьютера.

 

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) предполагают заменить стержневые магниты крошечными магнитными вихрями. Размер такого вихря составляет миллиардные доли метра. Эти вихри, которые образуются в некоторых магнитных материалах, называются скирмионами. Однажды они могут положить начало для нового поколения микроэлектроники,  блвгодаря созданию памяти на нвых принципах в высокопроизводительных компьютерах.

 

скирмион
На картинке видно изменение группировок скирмионов с высокоупорядоченных на неупорядоченные при температуре от 204 кельвинов до 104 кельвинов. Яркие точки обозначают порядок. (Изображение: Аргоннская национальная лаборатория)

 

Стержневые магниты в памяти компьютера подобны шнуркам, завязанным одним узлом; почти не требуется энергии, чтобы их развязать», — говорит Артур Маккрей, аспирант Северо-Западного университета, работающий в Аргоннском отделе материаловедения (MSD). И любые стержневые магниты, когда выходят из строя из-за какого-либо нарушения, влияют на другие.

 

«Скирмионы, напротив, подобны шнуркам, завязанным двойным узлом. Как бы сильно вы ни тянули за шнурок, шнурки остаются завязанными». Скирмионы оказались чрезвычайно устойчивы к любым разрушениям. Еще одной их важной особенностью является то, что ученые могут контролировать их поведение, изменяя температуру или применяя электрический ток.

 

Пока что ученые планируют провести массу экспериментов, чтобы узнать о поведении скирмионов в различных условиях. Чтобы лучше изучить их, команда под руководством Аргонна разработала программу на базе искусственного интеллекта (ИИ), которая работает вкупе с мощным электронным микроскопом в Центре наноразмерных материалов (CNM), Управления науки Министерства энергетики в Аргонне. Микроскоп может визуализировать скирмионы в образцах при очень низких температурах.

 

Магнитный материал представляет собой смесь железа, германия и теллура. По структуре этот материал похож на стопку бумаги с множеством листов. Стопка таких листов содержит множество скирмионов, и один лист можно снять сверху и проанализировать его на CNM.

 

Электронный микроскоп CNM в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта, называемых машинным обучением, позволил нам визуализировать скирмионы в таких листах и их поведение при разных температурах» Наше самое интригующее открытие заключалось в том, что скирмионы расположены в строго упорядоченном порядке при температуре минус 60 градусов по Фаренгейту и выше», — сказал Чарудатта Фатак, материаловед и руководитель группы в MSD.

 

«Но по мере того, как мы охлаждали образец, расположение скирмионов менялось». Они вели себя, как пузырьки в пивной пене, некоторые скирмионы становились больше, некоторые меньше, некоторые сливались, а некоторые исчезали. При минус 270 слой достиг состояния почти полного беспорядка, но порядок вернулся, когда температура вернулась при температуре минус 60. Этот переход порядок-беспорядок при изменении температуры можно было бы использовать в будущей микроэлектронике для организации памяти на новых принципах

 

По нашим оценкам, энергоэффективность скирмионов может быть в 100–1000 раз выше, чем у текущей памяти в высокопроизводительных компьютерах, используемых в исследованиях. Энергоэффективность крайне необходимый фактор для следующего поколения микроэлектроники. На сегодняшнюю микроэлектронику уже приходится примерно 10% затрат мировой электроэнергии. И это число может удвоиться к 2030 году. Поэтому создание энергоэффективной электроники — злоба дня. Несомненно, что применением скирмионов - это радикально новый взгляд на микроэлектронику, но он является ключом к устройствам следующего поколения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!