Har du någonsin märkt hur våra smartphones och datorenheter blir snabbare inom korta intervall? Det kan du tacka Moores lag för. Tillbaka 1965, Intels grundare Gordon Moore förutspådde att datorernas processorkraft skulle fördubblas ungefär vartannat år, och otroligt nog har denna empiriska tumregel hållit i över fem decennier.

Dock, modern datorteknik når nu sina skalningsgränser, potentiellt få Moores lag till ett skrikande stopp. Under tiden, efterfrågan på datorkraft fortsätter att växa snabbt – delvis på grund av tillkomsten av artificiell intelligens.

Att kringgå dessa begränsningar för minne och datorkraft är timmans behov, och det kräver att man ser bortom konventionella enheter och datorarkitekturer. Se en av kandidaterna:små magnetiska kvasi-partiklar som kallas skyrmions som kan erbjuda ett sätt att överträffa konventionella bearbetningsgränser.

Eftersom informationslagringsminnet och beslutsfattande funktionerna i datorer vanligtvis hålls åtskilda, att utföra även de enklaste uppgifterna kräver energi. Skyrmions, en av kandidaterna som kan kombinera de två funktionerna, öppnar dörrarna till snabbare bearbetning och beslutsfattande i realtid med minskad effekt.

Upptäcktes för över ett decennium sedan, magnetiska skyrmioner har visat sig vara svåra att kontrollera. Men inte längre, tack vare en banbrytande teknik pionjär av Anjan Soumyanarayanan och hans kollegor från A*STARs Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). Genom deras metod, laget lyckades finjustera storleken, skyrmionernas täthet och stabilitet, för dem närmare att förverkliga energieffektiva datorer.

För att bokstavligen sätta en ny snurr på skyrmions och utnyttja kvantfenomen för nanoelektronik, Soumyanarayanan fick priset Young Scientist Award vid President's Science and Technology Awards 2018. Soumyanarayanan, som också är biträdande professor vid National University of Singapore och 2018 mottagare av IEEE Magnetics Society Early Career Award, ger oss en närmare titt på skyrmions och vilken roll de kan spela i nästa generations datoranvändning.

Berätta för oss om det nyckelproblem du försöker lösa med din forskning.

Moores lag, eller den exponentiella tillväxten av datorkraft med tiden, når sina gränser efter fem decenniers regeringstid som hörnstenen i modern elektronik. Ett lovande alternativ är att använda elektronen "spin" istället för laddning för att lagra, bearbeta, och överföra information. Spin elektronik, eller spintronics, kan erbjuda enheter med snabbare bearbetningshastigheter samtidigt som strömförbrukningen minskar drastiskt.

På senare tid, mina forskningsinsatser har fokuserat på magnetiska skyrmioner. Nyligen upptäckt i industrikompatibla material, skyrmioner är arrangemang i nanoskala av elektronsnurr som beter sig som individuella magnetiska partiklar. De har lovande attribut som baselement för nästa generations datorer. Vi utvecklar tunnfilmsmaterial som är värd för sådana skyrmioner och undersöker deras beteende i enheter i nanoskala.

Vilka är de viktigaste fynden inom ditt område som du tänker bygga vidare på?

Först, spintroniska enheter kräver förmågan att elektriskt detektera (läsa) och manipulera (skriva) snurr för att bilda 0- och 1-tillstånd - för att representera det binära systemet som används i konventionell datorkod. Upptäcktes för tre decennier sedan, dessa funktioner uppmärksammades med 2007 års Nobelpris och används kommersiellt i moderna hårddiskar och magnetiskt direktminne (MRAM).

På senare tid, kopplingen mellan elektronspin och momentum – känd som spin-orbit coupling (SOC) – har dykt upp som en attraktiv ingrediens i industrikompatibla tunna filmer. Å ena sidan, SOC möjliggör skapandet av magnetiska skyrmioner och andra nya fenomen. Å andra sidan, det ger ett snabbt och energieffektivt sätt för elektrisk skrivning.

Till sist, vi hoppas att sådana enheter kan komma till användning för att efterlikna neuronernas biologi, därigenom förverkliga hjärninspirerade eller "neuromorfa datorer. Detta växande ämne ser många enhetsförslag för att uppnå erkännande, mönstermatchning och beslutsfattande som efterliknar den mänskliga hjärnan.

Hur blev du intresserad av att studera magnetiska skyrmions?

Bildandet av magnetiska skyrmioner bygger på tre nyckelingredienser:spin-orbit-koppling, magnetism såväl som den unika topologin vid vissa materialytor och gränssnitt. Dessa begrepp är centrala för flera framväxande fenomen som upptäckts under de senaste 10 till 15 åren. 2010, dessa koncept var ryggraden i ett framgångsrikt bidragsförslag som jag skrev tillsammans med min doktorsexamen. rådgivare för att stödja mitt examensarbete om topologiska material. När han återvände till Singapore, A*STARs djupa kapacitet i magnetiska tunna filmer gav en naturlig pivot mot skyrmioner. Jag är glad att det kom med utmaningar inom materialvetenskap och enhetsteknik – båda dessa har visat sig vara värdefulla inlärningsmöjligheter.

Skulle du kunna beskriva ett av de mest spännande projekten du arbetar med just nu?

Även om magnetiska skyrmioner visar mycket lovande som databearbetningselement i nanoskala, de är inte de lättaste att arbeta med. Faktiskt, tills nyligen observerades magnetiska skyrmioner tidigare endast vid låga temperaturer. Därför, våra första ansträngningar på detta ämne fokuserade mest på att etablera och skräddarsy deras rumstemperaturegenskaper i tunna filmer. Nyligen har vi undersökt deras elektriska beteende inom enhetskonfigurationer som är kompatibla med storskalig tillverkning. Så småningom, vi hoppas kunna förverkliga elektrisk detektering, eller läser, och elektrisk manipulation, eller skrivning av skyrmions i sådana anordningar. Den sömlösa integrationen av olika kapaciteter – som materialutveckling, enhetstillverkning och elektrisk karakterisering - som krävs för att de ska fungera är utmanande och ändå spännande.

Vilka är några av de industriella/sociala konsekvenserna av din forskning? Vem kommer att dra nytta av resultaten?

Vår forskning ligger i linje med bredare insatser inom spintronikområdet. Spintronics teknologier används kommersiellt i hårddiskar och magnetiskt minne. Framtida upptäckter från spintronisk forskning kan möjliggöra nya datorarkitekturer, förutom lågeffektsenhetsdrift vid extremt höga hastigheter. Sådana enheter kan hjälpa oss att uppnå energieffektiva datorplattformar.

Detta kan potentiellt visa sig i datacenter med minskad strömförbrukning. Alternativt, de kan användas för att utveckla personliga eller avancerade datorenheter med AI-kapacitet. Så småningom, sådan forskning kan tillämpas inom olika områden, från tillverkning till sjukvård och övervakning, eftersom det kan hjälpa till med övervakning och att identifiera fel för ingripande.

Hur ser du på att ditt forskningsområde utvecklas under de kommande 5-10 åren?

Användningsinspirerade forskningsområden, inklusive vår, utvecklas snabbt i hur problem definieras och hanteras. Till exempel, Att definiera problem kräver ökat och uthålligt engagemang med intressenter över hela värdekedjan. Likaså, lösa komplex, storskaliga problem kräver att man bildar tvärvetenskapliga team bestående av materialvetare, fysiker, elektroingenjörer och datavetare. I synnerhet, maskininlärningstekniker spelar nu en allt viktigare roll i förutsägelsen, design och analys av material och enhetsparametrar. Dessa och andra framväxande faktorer kommer att bidra till att forma vårt forskningsområde inom en snar framtid.