Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har lyckats utveckla en nyckelbeståndsdel i ett nytt okonventionellt datorkoncept. Denna beståndsdel använder samma magnetiska strukturer som forskas i samband med lagring av elektroniska data på skiftregister som kallas racerbanor. I denna, forskare undersöker så kallade skyrmioner, som är magnetiska virvelliknande strukturer, som potentiella bitenheter för datalagring. Dock, den nyligen tillkännagivna nya metoden har en särskild relevans för probabilistisk beräkning. Detta är ett alternativt koncept för elektronisk databehandling där information överförs i form av sannolikheter snarare än i den konventionella binära formen 1 och 0. Siffran 2/3, till exempel, kan uttryckas som en lång sekvens med 1 och 0 siffror, där 2/3 är ettor och 1/3 är nollor. Nyckelelementet som saknades i detta tillvägagångssätt var en fungerande bitomvandlare, dvs. en enhet som slumpmässigt ordnar om en sekvens av siffror utan att ändra det totala antalet 1:or och 0:or i sekvensen. Det är precis vad skyrmionerna är tänkta att uppnå. Resultaten av denna forskning har publicerats i tidskriften Naturens nanoteknik .

Forskarna använde tunna magnetiska metallfilmer för sina undersökningar. Dessa undersöktes i Mainz under ett speciellt mikroskop som gjorde de magnetiska inriktningarna i metallfilmerna synliga. Filmerna har den speciella egenskapen att magnetiseras i vertikal inriktning mot filmplanet, vilket möjliggör stabilisering av de magnetiska skyrmionerna i första hand. Skyrmioner kan i princip föreställas som små magnetiska virvlar, liknar hårstrån. Dessa strukturer uppvisar en så kallad topologisk stabilisering som skyddar dem från att kollapsa för lätt – eftersom en hårvirvel motstår att lätt rätas ut. Det är just denna egenskap som gör skyrmions mycket lovande när det kommer till användning i tekniska applikationer som, i detta speciella fall, informationslagring. Fördelen är att den ökade stabiliteten minskar sannolikheten för oavsiktlig dataförlust och säkerställer att den totala mängden bitar bibehålls.

Blandar om för datasekvensorganisation

Omblandaren tar emot ett fast antal insignaler som 1:or och 0:or och blandar dessa för att skapa en sekvens med samma totala antal 1 och 0 siffror, men i en slumpmässigt omarrangerad ordning. Det är relativt enkelt att uppnå det första målet att överföra skyrmion-datasekvensen till enheten, eftersom skyrmioner lätt kan flyttas med hjälp av en elektrisk ström. Dock, forskarna som arbetar med projektet har nu för första gången lyckats uppnå termisk skyrmion-diffusion i reshufflern, vilket gör deras exakta rörelser helt oförutsägbara. Det är denna oförutsägbarhet, i tur och ordning, vilket gjorde det möjligt att slumpmässigt ordna om sekvensen av bitar utan att förlora någon av dem. Denna nyutvecklade beståndsdel är den tidigare saknade pusselbiten som nu gör probabilistisk beräkning till ett genomförbart alternativ.

Framgångsrikt tvärvetenskapligt samarbete

"Det var tre aspekter som bidrog till vår framgång. För det första, vi kunde producera ett material där skyrmioner endast kan röra sig som svar på termiska stimuli. För det andra, vi upptäckte att vi kan föreställa oss skyrmioner som partiklar som rör sig på ett sätt som liknar pollen i en vätska. Och slutligen, vi kunde visa att omskiftningsprincipen kan tillämpas i experimentella system och användas för sannolikhetsberäkningar. Forskningen genomfördes i samarbete mellan olika institut och jag är glad att jag kunde bidra till projektet, " betonade Dr Jakub Zázvorka, huvudförfattare till publikationen. Zázvorka genomförde sin forskning om skyrmiondiffusion som forskarassistent i teamet som leds av professor Mathias Kläui och arbetar under tiden vid Prags universitet.

"Det är mycket intressant att våra experiment kunde visa att topologiska skyrmioner är ett lämpligt system för att undersöka inte bara problem som rör spintronik, men också till statistisk fysik. Tack vare MAINZ Graduate School of Excellence, vi kunde sammanföra olika fysikområden här som hittills vanligtvis fungerar på egen hand, men det kan helt klart tjäna på att arbeta tillsammans. Jag ser särskilt fram emot framtida samarbete inom området spinstrukturer med teamen för teoretisk fysik vid Mainz University som kommer att innehålla vårt nya TopDyn – Dynamics and Topology Center, " betonade Mathias Kläui, Professor vid Institutet för fysik vid JGU och chef för Graduate School of Excellence Materials Science i Mainz (MAINZ).

"Vi kan se från detta arbete att spintronikområdet erbjuder intressanta nya hårdvarumöjligheter med avseende på algoritmisk intelligens, ett framväxande fenomen som också undersöks vid det nyligen grundade JGU Emergent Algorithmic Intelligence Center, " tillade Dr Karin Everschor-Sitte, medlem i forskningscentrets styrgrupp och chef för Emmy Noether-forskargruppen TWIST vid JGU Institute of Physics.