Forskare vid Far Eastern Federal University (FEFU) med internationella samarbetspartners har föreslagit direkt magnetisk skrivning av skyrmioner, d.v.s. magnetiska kvasipartiklar, och skyrmion galler, inom vilken det är möjligt att koda, överföra, bearbeta information och producera topologiska mönster med en upplösning mindre än 100 nanometer. Detta har applikationer för miniatyriserad post-kiselelektronik, nya topologiska kryptografitekniker och gröna datacenter, potentiellt minska belastningen på jordens ekosystem avsevärt. En relaterad artikel visas i ACS Nano .

Internationella forskarlag letar intensivt efter alternativa material och tillvägagångssätt för att ersätta kiselelektronikenheter baserade på CMOS-teknik (komplementära metall-oxid-halvledare). Den stora nackdelen med denna teknik är storleken på samtida transistorer baserade på den. Den fysiska omöjligheten att ytterligare miniatyrisera dem skulle kunna hindra den framtida utvecklingen av elektronikindustrin.

Tunnfilmsmagnetiska material med lager från en till flera nanometer tjocka utgör lovande alternativ till CMOS-transistorer. Inom dessa material, skyrmions, icke-triviala magnetiska strukturer, bildas under vissa förutsättningar.

I studien, forskarna hävdar att de har designat tätt packade stabila uppsättningar av skyrmioner genom att använda det lokala magnetfältet hos en magnetisk kraftmikroskopsond för att påverka en tunnfilmsmagnetisk struktur.

Således, teamet banade väg för topologisk nanolitografi, få topologiska mönster i nanoskala där varje enskild skyrmion fungerar som en pixel, som i digital fotografering. Sådana skyrmionpixlar är inte synliga i det optiska området, och för att avkoda dem eller skapa dem krävs ett magnetisk kraftmikroskop.

"Skyrmioner som drivs av strömpulser kan användas som grundläggande element för att efterlikna biologiska neurons aktionspotential för att skapa neuromorfa chips. Arrays av chip med varje litet neuronelement som kommunicerar med ett annat genom att flytta och interagera skyrmioner kommer att ha energieffektivitet och hög beräkningskraft, " säger FEFUs vicepresident för forskning Alexander Samardak, en av artikelförfattarna. "Ett annat intressant område är visuell eller topologisk kryptografi. I så fall, ett meddelande är krypterat som ett topologiskt mönster, som är en uppsättning beställda skyrmioner. Att dechiffrera ett sådant meddelande kommer att kräva, först, kunskap om koordinaterna för nanobilden och, andra, tillgängligheten av specialutrustning såsom ett magnetisk kraftmikroskop med hög känslighet för ströfält av skyrmioner. Försök att hacka meddelandet med felaktigt valda parametrar för att läsa den topologiska bilden kommer att leda till dess förstörelse. För närvarande, cirka 25 MB information kan registreras på en kvadratmillimeter av en magnetisk tunn film. Genom att minska storleken på skyrmioner till 10 nm, en kapacitet på 2,5 Gb/mm ² kan uppnås."

En begränsning av tillvägagångssättet är hastigheten för att registrera information med lokala magnetfält. Det går fortfarande väldigt långsamt, vilket begränsar tillvägagångssättet från massimplementering.

Alexander Samardak sa att teamet lärde sig hur man reglerar storleken och densiteten på skyrmionpackningen, styrning av avsökningssteget (ett avstånd mellan två intilliggande avsökningslinjer) med en sond av magnetisk kraftmikroskop. Det utökar omfattningen av möjliga framtida tillämpningar. Till exempel, om skyrmionerna har en storlek på mindre än 100 nanometer, de kan användas som bas för reservoarberäkning, omkonfigurerbar logik och magnoniska kristaller, som är grunden för magnoniska processorer och mikrovågskommunikationsenheter i området under THz och THz. Sådana enheter kommer att vara mycket mer energieffektiva jämfört med befintlig elektronik. Det banar väg för framtida gröna och högpresterande datacenter.

"Skyrmions kan vara en bärare av informationsbitar. Det är möjligt på grund av skyrmionpolariseringen, d.v.s. positioner upp eller ner, som relaterar till nollor och ettor. Därav, skyrmioner kan vara grundläggande element för magnetiskt minne eller racerbana. Sådana anordningar, i motsats till hårdmagnetiska skivor, kommer inte att ha några mekaniska delar; bitar av information kommer att röra sig av sig själva. Dessutom, beställda tvådimensionella arrayer av skyrmioner kan spela rollen som konstgjorda magnoniska kristaller, genom vilka spinnvågor utbreder sig, sända information från en källa till en mottagare utan att värma upp arbetselementen, " säger Alexey Ognev chef för FEFU-laboratoriet för tunnfilmsteknologier och artikelns första författare.

Med hjälp av den utvecklade tekniken, forskare planerar att skala ner storleken på skyrmioner och utveckla praktiska enheter baserade på dem.