Genom att vrida magnetism till rekordsmå spiraler, University of Nebraska-Lincoln fysiker påskyndar ansträngningarna att förvandla den digitala motsvarigheten till memory lane till en minnesbana som kan spara energi och utrymme i nästa generations elektronik.

Magnetiska material innehåller atomer som fungerar som miniatyrversioner av en klassisk stångmagnet, med var och en med en nord- och sydpol. I de material som uppvisar de starkaste magnetfälten – de så kallade ferromagneterna som förvandlar ett kylskåp till ett fotogalleri, till exempel – dessa atomers poler pekar alla i samma riktning.

Men det ordnade arrangemanget kan störas av en skyrmion (SKUR'-mee-ahn):en uppsättning atomer vars poler lutar längre och längre bort från den magnetiska axeln när de närmar sig skyrmions centrum, med atomen i dess kärna pekar i motsatt riktning av den axeln.

Forskare hade tidigare skapat skyrmioner med en diameter på cirka 50 nanometer – ungefär 2, 000 gånger tunnare än ett människohår – i ett ferromagnetiskt material som kallas manganmonosilicid. Men en ny studie ledd av Nebraskas David Sellmyer och Balamurugan Balasubramanian har rapporterat bildandet av skyrmioner bara 13 nanometer breda - vad som verkar vara den minsta möjliga storleken i materialet.

Att miniatyrisering spelar roll, Selmyer sa, om de "intressanta magnetiska strukturerna" ska uppfylla sitt löfte som nästa generations form av digitalt minne.

"En av de största begränsningarna har varit diametern på dessa saker, sade Sellmyer, George Holmes University Distinguished Professor i fysik och astronomi. "Denna upptäckt är ett viktigt steg mot att utnyttja dem för verkliga tillämpningar."

Digital datalagring existerar traditionellt som separata partier av negativt och positivt polariserade atomer som representerar 1:orna och 0:orna, eller bitar, av binär kod. Eftersom att skapa och flytta en skyrmion kräver mycket mindre energi än att anpassa de polariserade grupperna av atomer, forskare ser magnetspiralen som ett tilltalande alternativ för digital lagring. Under det scenariot, de olika magnetiska signaturerna som produceras i närvaro och frånvaro av skyrmioner skulle representera de binära databitarna.

"Under de senaste decennierna, tätheten av datalagring har gått genom taket, sade Sellmyer, som leder Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Platser över hela landet bygger dessa molnlagringsplatser. Mängden information som lagras – och strömförbrukningen av dessa datacenter – blir så hög att du praktiskt taget måste föreställa dig ett kraftverk bredvid dem. Så vi behöver snabbare och mycket energisnålare datalagring."

Innan det kan hända, Selmyer sa, forskare måste krympa skyrmioner till en skala som åtminstone konkurrerar med befintliga digitala minnesformat. Även om 13 nanometer är mycket litet, teamet lyckades skapa en så liten skyrmion endast vid extremt låga temperaturer – minus-382 grader Fahrenheit är den högsta. Att hitta en metod eller ett material som kan stödja små skyrmioner vid rumstemperatur är fortfarande ett viktigt mål, han sa.

Att uppnå bedriften skulle också tillåta forskare att experimentera med minnesbanor:nanoskopiska ränder som kan transportera magnetiska virvlar från en grupp av atomer till en annan när de drivs av en elektrisk ström. Genom att föra dessa bitar till en dataläsare/skrivare snarare än vice versa, racerbanor kan öka bearbetningshastigheten och förlänga livslängden för hårddiskar.

"En (konventionell) hårddisk har en skiva som virvlar runt med många rörliga delar, och det är krascher, "Sellmyer sa. "Denna nya typ av racerbana-baserad teknik kommer att vara en stor förbättring genom att komponenter inte kommer att slitas ut, och du använder mindre ström.

"Mycket arbete måste göras för att se om man kan göra, till exempel, en 20 nanometer bred rand och flytta skyrmionerna längs den. Men det är det övergripande målet med det här arbetet."

Teamet redogjorde för sina resultat i tidskriften Nanoskala , som lyfte fram forskningen på dess baksida.