Utvecklingen av skyrmions egenskaper med nyckelmaterialparametern 𝜅 för flerskiktsfilmer. Kredit:A*STAR
Traditionell datoranvändning ersätts i allt högre grad av tekniker med artificiell intelligens (AI) för att uppnå mönsterigenkänningsmöjligheter inom många områden, inklusive sjukvård, tillverkning och persondatorer. Den ökande komplexiteten hos "neurala nätverk" som krävs för AI-kapacitet orsakar en exponentiell ökning av energiförbrukningen. Inför ständigt krympande energibudgetar finns det ett växande behov av databearbetning vid insamlingsplatsen, känd som kanten, särskilt för realtidsapplikationer.
Gå in i små men mäktiga skyrmioner – små, slingrande arrangemang av elektronsnurr som bildas i vissa magnetiska tunna filmer. Dessa energieffektiva informationsbärare är stabila vid rumstemperatur och kan flyttas av elektriska strömmar för att potentiellt efterlikna hur signaler skickas och tas emot av biologiska nervceller i den mänskliga hjärnan.
Vid extremt små nanoskalastorlekar kan skyrmioner vara 100 gånger mindre än de magnetiska områden som används i traditionella hårddiskar, vilket gör potentiella skyrmionbaserade enheter mycket kompakta. Detta gör dem till lovande kandidater för användning i framtida datorenheter för att realisera neurala nätverkstillämpningar med låg strömförbrukning.
"Magnetiska skyrmioner är unikt placerade eftersom de är av vetenskapligt intresse, stabila i industrikompatibla material och miljöer och har tillämpningar i ledande beräkningsproblem", säger Dr. Xiaoye Chen från Spin Technology for Electronic Devices (SpEED)-teamet på A*STARs Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).
"Med överlägsna funktioner som storlek i nanoskala, hög stabilitet och energieffektiv drift kan magnetiska skyrmioner vara en kraftfull lösning för att utveckla innovativa omkonfigurerbara neurala datortekniker", tillade Dr. Mi-Young Im, personalforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Röntgenoptik (CXRO).
Lär känna skyrmioner:Vad gör dem till som de är?
För att designa skyrmioner med önskade egenskaper anpassade till enhetsspecifika behov är ett nyckelkrav att förstå vilka materialegenskaper som påverkar deras struktur och stabilitet.
Forskare från A*STARs IMRE och Institute of High Performance Computing (IHPC), National University of Singapore (NUS) och Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)s CXRO har samarbetat för att utforska faktorer som påverkar de viktigaste fysiska egenskaperna hos skyrmioner i tunna magnetiska filmer, i en studie publicerad i Advanced Science i januari 2022.
Skräddarsydda skyrmioner skräddarsydda för specialiserade applikationer. Kredit:A*STAR
Omvandla skyrmions egenskaper:Justera den magiska parametern
Teamet utnyttjade en magnetisk tunnfilmsplattform som består av en sekventiell stapling av atomärt tunna metallskikt, som tidigare utvecklats på A*STAR. Denna flerskiktsplattform gör att de magnetiska interaktionerna som styr skyrmions egenskaper kan kontrolleras direkt genom att variera tjockleken på de ingående lagren.
Teamet undersökte spinnstrukturerna som bildades i dessa tunna filmer med hjälp av en rad specialiserade magnetiska avbildningsmetoder, inklusive elektronmikroskopi och mjukröntgenmikroskopi, såväl som simuleringstekniker som ab-initio och mikromagnetiska beräkningar.
Intressant nog fann teamet att flera nyckelegenskaper hos magnetiska skyrmioner kunde ställas in genom att variera en enda materialparameter, 𝜅, som löst representerar "lättheten" att skapa spinnstrukturer i materialet.
Öka först 𝜅 -värde från noll orsakar en skarp förändring i lindningsarrangemanget för spinn som bildar skyrmion, känd som dess "helicitet", som sedan fixeras för större värden på 𝜅 .
Därefter ökar 𝜅 ändrar skyrmions elasticitet, eller "kompressibilitet". För mindre 𝜅 -värden, skyrmioner kan lätt krympa och expandera, ungefär som såpbubblor. Men för större 𝜅 -värden, de är mycket kompakta, som biljardbollar.
Slutligen, ökande 𝜅 förändrar ytterligare hur skyrmioner genereras från långsträckta, slingrande magnetiska domäner som kallas "ränder". För mindre 𝜅 -värden, ränder krymper till enstaka skyrmioner, medan för större 𝜅 -värden, kan en rand delas eller "klyvas" till flera skyrmioner.
Sammantaget ger arbetet ett materialbaserat ramverk för att kontrollera skyrmions egenskaper för framtida användning inom enheter.
Effekt av ökande temperatur på övergången mellan rand och skyrmion. Kredit:A*STAR
Öka värmen:Från stripe till skyrmions
I en uppföljningsstudie publicerad i Physical Review Applied i april 2022 använde teamet en kombination av magnetometri, avbildning och simuleringstekniker för att utforska temperaturberoendet för övergången mellan rand och skyrmion.
Deras arbete fastställde att med ökande temperatur delar sig varje remsa eller klyvs till ett större antal skyrmioner, vilket leder till en ökning av tätheten av skyrmioner. Sådan kunskap om temperaturens inverkan på skyrmioner erbjuder möjligheter för framtida teknisk utveckling, där kontrollerade temperaturcykler kan användas för effektiv skyrmiongenerering i framtida okonventionella datortillämpningar.
Seglar affären:Anpassade skyrmioner, optimerade för prestanda
Eftersom båda studierna ger ett omfattande ramverk för att kontrollera skyrmions egenskaper, är det närmare verkligheten att skapa skräddarsydda skyrmioner med egenskaper som är skräddarsydda för olika applikationer. Till exempel kan elektriska enheter använda antingen skyrmionstorlek eller skyrmionnummer för att utföra logiska operationer, som kan använda antingen låg-𝜅- respektive hög-𝜅-material. I sinom tid kan detta möjliggöra utvecklingen av skyrmioniska enheter för nästa generations beräkningar. + Utforska vidare
